CO2在ZIF-8/乙二醇-2-甲基咪唑浆液中溶解能力理论分析

有效降低CO₂排量实现碳中和是当前研究热点之一。ZIF-8/乙二醇-2-甲基咪唑浆液被发现不仅能高效地捕集CO₂,同时能利用浆液良好的流动性实现一个碳捕集-浆液流动再生-浆液再利用的连续碳捕集过程。为了有效地掌握纯CO₂气体在ZIF-8/乙二醇-2-甲基咪唑浆液中的溶解能力,本文首先测定了293.15K、303.15K和313.15K下CO₂在干ZIF-8上的吸附量和在2-甲基咪唑-乙二醇溶液中的溶解性;然后基于Langmuir方程和CO₂溶解机理进一步建立了相应吸附量和溶解度计算数学模型;最后综合考虑ZIF-8/乙二醇-2-甲基咪唑浆液中乙二醇和ZIF-8之间的共存特征和相互影响,建立了CO₂在目标浆液中溶解吸收量计算数学关联式。所得研究结果对浆液法CO₂技术的推广和后续流程模拟具有良好的指导作用和理论意义。     

ZIF-8/乙二醇浆液连续捕集二氧化碳

有效捕获CO₂对于减少温室气体排放和控制全球变暖具有重要意义。本文采用吸收-吸附组合的方式将沸石咪唑骨架-8（ZIF-8）和乙二醇混合形成可流动浆液,分别在常压透明有机玻璃鼓泡塔（高3.7m,内径50mm）和高压不锈钢鼓泡塔（高3m,内径40mm）内连续捕集二氧化碳,浆液在解吸罐内解析后返回到吸收塔再进行二氧化碳捕集,整个分离过程可连续化进行。研究了不同环境温度、不同混合气流率、浆液再生温度和塔内不同操作压力对二氧化碳捕集能力,结果表明环境温度和混合气流率越低,浆液再生温 度和塔内压力越高,浆液吸着二氧化碳的量越大,最佳操作条件为：常压下环境温度0.5℃,气体流率 47mL/min,浆液再生温度333.13K。在此最佳操作条件下,分离因子高达395,同时在经过100h以上的分离过程后,ZIF-8结构没有发生变化并且ZIF-8/乙二醇浆液能重复利用,更进一步说明ZIF-8/乙二醇浆液具有潜在的工业应用价值。     

N2优先渗透ZIF-8复合膜的制备及其CO2捕集

为了获得经济节能的烟道气CO₂回收方法,制备了一种新型的N₂优先渗透ZIF-8复合膜。以柔性聚砜(PSf)多孔膜为支撑层,采用Zn²⁺与壳聚糖的交联溶液对聚砜支撑层表面改性,使Zn²⁺固定在PSf膜表面;然后与2-甲基咪唑(Hmim)配位得到ZIF-8晶种层;最后通过界面聚合法二次生长制得ZIF-8复合膜。采用FTIR、XRD及SEM对ZIF-8复合膜的形貌结构进行表征,结果显示成功制备了致密的ZIF-8复合膜。在进料气为纯气条件下,探究了二次生长时间、Zn²⁺溶液的浓度、测试时间及测试压力对ZIF-8复合膜N₂/CO₂分离性能的影响,阐明其N₂优先渗透机理;并进一步考察了混合气分离性能。结果表明：在25℃和0.1 MPa下,最优ZIF-8复合膜的N₂渗透性为523 GPU,N₂/CO₂选择性为19;同条件下混合气的N₂渗透性和N₂/CO₂选择性分别为517 GPU和18。所制备的ZIF-8复合膜可以使N₂优先渗透,实现烟道气中高浓度N₂渗透,低浓度CO₂截留在膜的上游侧。原因主要是ZIF-8复合膜含有较多的CO₂强吸附位点,使CO₂被吸附在膜内不易从膜的下游侧脱附,渗透性小,而N₂优先渗透,这为N₂优先渗透膜的制备提供了一种新思路。     

化学吸收法CO2捕集解吸能耗的分析计算

推导出了化学吸收法CO2捕集工艺解吸总能耗的准确计算公式,根据年产量100万吨CO2的捕集工艺流程的节点参数,分析计算了解吸能耗中各项能耗的大小,并与Leites、晏水平、王海波等能耗估算公式结果进行了对比。分析表明,本文推导的能耗计算公式适用于设计后或运行时的能耗计算,在捕集工艺设计前可采用Leites、晏水平、王海波等公式估算解吸能耗。其中晏水平公式考虑了循环倍率,因此能耗估算公式的适用性强,循环倍率和比热容取值偏差不大时,估算精度较高。通过对推导出的解吸能耗公式的分析,即使吸收剂质量浓度、溶液的再生度、贫富液换热器的性能一定,仍能进一步降低解吸总能耗,并提出了进一步降低解吸总能耗的有效措施。     

ZIF-8/乙二醇-水浆液吸收-吸附CH4/H2和CH4/N2

为了有效地捕集焦炉气及煤层气中的甲烷,提出了一种新型捕集技术:吸收-吸附组合方法,该方法通过把ZIF-8分散到乙二醇水溶液中形成悬浮浆液,实现对甲烷组分的捕集。首先测定了甲烷、氮气和氢气在浆液中的吸收-吸附容量,得出吸着量大小的顺序为CH₄> N₂> H₂,然后对CH₄/H₂和CH₄/N₂的混合气进行吸着平衡研究,发现浆液均能有选择性地吸着甲烷。对浆液中回收的ZIF-8材料进行XRD表征,分析证明在整个吸着过程中ZIF-8结构没有发生变化并且ZIF-8/乙二醇-水浆液能重复利用。     

ZIF-8浆液法分离CH4/N2的双吸收-吸附塔工艺流程建模与模拟

由于ZIF-8浆液独特的可流动性，可以借鉴传统的吸收-解吸工艺，实现煤层气中甲烷的多级连续高效富集。在单吸收-吸附塔工艺的基础上，为了进一步降低能耗，提出了高低压双吸收-吸附塔新型分离工艺，并对该工艺进行了全流程建模及模拟。采用平衡级法，建立了工艺流程中各单元传质设备的数学模型，包括吸收-吸附塔、闪蒸罐、解吸塔。此外，还进行了灵敏度分析，探究了平衡级数、进料位置、气液比、解吸压力等因素对产品气中甲烷浓度以及回收率等工艺性能的影响。模拟结果表明，当产品气中甲烷浓度达到90.13%（mol）时，回收率为90.25%。并且单位原料气能耗为0.445 kW·h∙m^-3（原料气），低于单塔能耗（0.510 kW·h∙m^-3）。由此，改进的双塔工艺在满足甲烷纯度和回收率的同时，相较于单塔工艺进一步降低了能耗。     

二次生长法制备ZIF-8膜及其对CO2/N2的分离性能

采用二次生长法在α-Al₂O₃载体上制备超薄型ZIF-8膜,研究了多种轻分子气体以及混合气体CO₂/N₂的渗透分离性能。通过SEM和XRD表征了ZIF-8晶种层的晶种涂布状态,以及ZIF-8晶体膜的生长覆盖度和晶膜厚度。研究结果表明：采用低浓度的晶种悬浮液通过浸润式连续多次涂布法,有利于获得晶种层厚度均匀且覆盖度高的超薄均匀ZIF-8晶种层,经过二次生长后所得ZIF-8膜的覆盖度高、厚度均匀且较薄,仅约为8.8 μm;在所测试范围内的CO₂/N₂混合气体中,此ZIF-8膜对CO₂具有优先选择透过性,其对CO₂/N₂的渗透分离因子随温度的升高而降低,随渗透压力的增加而增加,在298 K、406 kPa和CO₂组分含量为50%时,该分离因子能达到6,显著超过Knudsen扩散的分离系数。     

低成本CO2化学吸收法分离技术的研究进展

从新型CO2化学吸收剂筛选和再生工艺优化与创新、CO2吸收与化工产品直接耦合及低成本吸收剂选择与应用等3个方向对CO2化学吸收法分离成本降低研究进行了论述,提出了一种新型低成本CO2吸收剂一有机质厌氧发酵产沼气后的副产物沼液,并对其CO2吸收性能和吸收后产物的应用前景进行了探讨.研究表明,原生沼液的最大吸收能力为0.13 mol/L,且通过控制反应温度等参数,富CO2沼液可用于促进植物的生长发育.如能大幅强化沼液的CO2吸收能力和优化反应参数,将可能会形成一种低成本CO2分离和储存的新方法.     

新型CO2低温捕集与N2/O2分离复合系统性能分析

提出了一种CO₂低温捕集液化与N₂/O₂分离的新型复合系统,并且对该系统的性能以及优势进行了分析。这一系统不仅将CO₂低温捕集液化与N₂/O₂的分离结合起来,而且能达到降低能耗与减少投资的目的。采用理论分析和软件模拟相结合的方法,对该系统进行可行性分析。结果显示,这一新型系统不仅能量消耗低于传统醇胺吸收捕集CO₂的系统,该新型复合系统捕集1 t CO₂耗能3.29 GJ·t^-1,而传统MDEA吸收法耗能4.11 GJ·t^-1。而且在该系统中,CO₂分离液化的同时,可以获得副产物N₂与O₂。本研究阐明了一种CO₂低温捕集液化与N₂/O₂分离复合系统的新思想。     

丙烯/丙烷分离的ZIF-8膜研究进展

同碳数烯烃/烷烃的分离是目前石油化工行业中最耗能的过程之一,开发新型的、低能耗的丙烯/丙烷分离过程被认为是改变世界的七项化工分离技术之一。气体膜分离技术因其高效、节能和环境友好等优点被认为是一种可取代传统低温精馏分离丙烯/丙烷混合气体的新型技术。金属有机骨架材料ZIF-8的有效孔径介于丙烯和丙烷的分子动力学直径之间,可对丙烯/丙烷实现高效分离,是目前分离丙烯/丙烷性能最好的膜材料。本文系统总结了ZIF-8膜的制备方法及用于丙烯/丙烷高效分离的发展历程;探讨了ZIF-8膜微结构的调控,尤其是膜缺陷的修复及ZIF-8骨架柔性的控制;总结了ZIF-8膜在分离丙烯/丙烷时,过程参数对于分离性能的影响规律;并提出ZIF-8膜规模化制备及潜在工业分离丙烯/丙烷研究中存在的问题和未来发展方向。     

新型Pt/ZIF-8催化剂的制备及化学固定CO2的研究

文章利用室温扩散法将非离子型表面活性剂PVP修饰的Pt原位负载于ZIF-8上制得新型复合多相催化剂,并探索了其在无溶剂无共催化剂条件下催化CO2与氧化苯乙烯合成苯乙烯碳酸酯的活性。结果表明,Pt明显提高了ZIF-8的催化性能,且所得催化剂的活性随Pt负载量的增加而增强。     

一种低能耗捕集CO2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO₂浓度降低,从而导致CO₂捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO₂煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H₂和CO₂,CO₂浓度提高,在此时进行CO₂捕集可实现捕集能耗的降低。经CO₂捕集后,得到富H₂气体,富H₂气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO₂捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO₂捕集能耗下降30.3%。     

电厂CO2捕集工艺夹点分析与过程集成节能

电厂一乙醇胺（MEA）法烟气CO2捕集（CCS）工艺换热网络能量流密集,固有能耗高,对该工艺进行过程集成节能研究,具有重要意义。对CO2捕集工艺换热网络的夹点分析说明该换热网络存在跨越夹点的热量传递。冷热物流的总复合曲线特征说明了CO2捕集工艺固有能耗高的特性。对换热网络进行调优并提出了节能技术方案：（1）在夹点之上利用MEA贫液的部分高温位热量加热预吸附塔再生气;(2)采用MEA再生塔产生的湿CO2混合物作为驱动热源,跨越夹点设置一台氨吸收式制冷机以替代CO2液化所需部分制冷量。基于过程集成节能提出的换热集成节能措施可有效降低CO2捕集工艺固有能耗,使蒸汽耗量降低21%,冷却水耗量降低17.2%,CO2液化所需低温冷却公用工程降低43.4%。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。