废弃蛋壳源高性能钙基吸收剂的制备及其碳捕集性能

基于食品工业废弃蛋壳,本文利用不同有机酸反应制取乙酸钙、柠檬酸钙及葡萄糖酸钙共三种蛋壳源有机钙。在高温固定床反应器及热重分析仪上研究了不同前体所制成钙基吸收剂的碳循环捕集性能及碳酸化特性。进一步通过XRD分析了不同钙基吸收剂的物相组成,通过N₂吸附仪及SEM分析了循环前后钙基吸收剂结构特性及微观形貌的变化。结果表明,在三种蛋壳源有机钙中,葡萄糖酸钙所制成的钙基吸收剂具有较高的反应活性和相对最佳的碳捕集性能,首次碳酸化转化率高达85.33%,其钙基吸收剂相比其他吸收剂晶粒更小,20~100nm孔径范围内的孔隙较为发达,具有相对较强的抗烧结能力。经过20次循环实验发现,随着循环次数的增加,几种钙基吸收剂小颗粒均团聚烧结成大颗粒,造成孔隙结构缺失,孔隙率降低,影响其后续碳捕集性能。     

钙基吸收剂吸收CO_2的动力学分析

利用热天平在非等温条件下研究了在N2/CO2气氛下,升温速率、样品粒径及CO2浓度等因素对钙基吸收剂与CO2反应特性的影响,并利用活化能和频率因子进行表征。结果表明:在5种不同前体制备的吸收剂中,草酸钙和乙酸钙制备的钙基吸收剂的活化能最低,更容易与CO2发生反应;在其他条件相同的情况下,分析纯CaCO3制备的钙基吸收剂的活化能,随循环次数增加而逐渐变大,并且在第5次循环到第10次循环之间,活化能增加幅度较大;随着分析纯CaCO3颗粒粒径的增大,其活化能也随之增大;随着升温速率的增大和反应气氛中CO2质量分数的增大,分析纯CaCO3制备的钙基吸收剂的活化能逐渐减小,而频率因子逐渐增大;掺杂有MgO的碳酸钙制备的钙基吸收剂的活化能小于分析纯CaCO3,且MgO掺杂比例为0.05的钙基吸收剂的活化能小于MgO掺杂比例为0.1的钙基吸收剂。     

基于钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应捕集CO2的试验

利用钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应(CCCR)吸收CO2是一种新型、廉价、有效的CO2捕集方法.采用热重分析仪研究了吸收剂的矿物组成、颗粒粒径、煅烧温度和碳酸化温度对CCCR快速反应阶段吸收剂循环碳酸化率(XN)的影响.结果表明:吸收剂的碳酸化反应由快速化学反应控制阶段、过渡阶段和缓慢产物层扩散控制阶段组成;白云石具有良好的抗烧结能力,白云石的XN高于石灰石;随着颗粒粒径的增大,吸收剂的XN逐渐降低;当煅烧温度超过950℃时,随着循环反应次数的增加,吸收剂的XN严重降低;吸收剂在725℃碳酸化温度时的XN最高.     

溶液燃烧合成法制备自活化钙铜复合CO2吸收剂的性能

首次采用溶液燃烧合成法制备了钙铜复合吸收剂用于实现低成本CO₂捕捉。在热重分析仪上研究制备参数（燃烧背景温度、煅烧时间）对吸收剂循环载氧和CO₂捕捉性能的影响,并借助SEM和氮吸附分析其微观结构。结果表明,在燃烧背景温度800℃、煅烧时间为0.5h时制得的钙铜比例为1∶1的复合CO₂吸收剂15次循环之后,钙基吸收剂转化率为51.2%,比纯的CaO提高了44.9%;采用该方法制备的吸收剂具备自活化特性,15次循环内碳酸化性能随循环次数的增加不降反升,且载氧性能非常稳定,氧化率始终高于90%。微观结构表征表明,随着循环次数的增加,复合吸收剂未发生严重烧结并且BET比表面积没有下降。实验结果为溶液燃烧合成法制备高性能钙铜复合CO₂吸收剂的进一步研究提供了基础数据。     

复合钙基CO2吸收剂的反应性能及显微结构

采用溶胶-凝胶法制备了掺杂La3+、Mg2+的复合钙基CO2吸收剂,并在固定床反应器上进行了多循环的煅烧/碳化实验,对其CO2吸收活性及循环反应稳定性进行了研究.实验结果表明,掺杂La3、Mg2+的复合钙基吸收剂可以显著提高吸收剂在多循环煅烧/碳化过程中的反应活性和循环稳定性.在XRD分析的基础上,计算和比较了不同钙基...     

利用凹凸棒改性石灰石增强CO2循环捕集效率

石灰石作为天然的CO2吸收剂,可有效的捕集烟气中的CO2,但随着循环反应次数的增加,石灰石颗粒表面会发生严重的烧结,使其酸化率迅速发生衰减.本文中利用自然界储量丰富的凹凸棒石对石灰石颗粒进行改性来减缓这一现象的发生,从而提高其CO2的循环捕集效率.凹凸棒石具有的天然纳米纤维状结构可有效的减少石灰石颗粒之间的相互接触,延缓石灰石的烧结团聚现象,从而提高其碳酸化率.实验结果表明:凹凸棒石原矿和提纯后的凹凸棒石均可作为添加剂提高石灰石对CO2的捕集效率,其中经过提纯处理后的凹凸棒石的改性效果最好;通过比较凹凸棒石改性前后的钙基吸收剂经过多次CO2捕集循环后的颗粒微观形貌的变化,可以发现经过凹凸棒石改性后的石灰石颗粒表面仍留有较多的孔道,使其抗烧结能力得到大幅的提高.     

凹凸棒石改性钙基吸收剂循环碳酸化特性的试验分析

钙基吸收剂在较高的温度下可有效的循环捕集烟气中的较低浓度的CO2,通过升温释放出高浓度的CO2.但其弊端在于随着CO2释放/吸附的不断进行,吸收剂的烧结现象严重,CO2的吸收效率也显著的下降,若仅采用钙基材料作为CO2捕集剂,需不断的投入新鲜的吸收剂,消耗量较大.本论文以水泥工业为背景,研究其烟气中CO2的捕集,并采用一维结构的凹凸棒对吸收剂进行表面修饰处理,来缓解吸收剂的烧结现象,以提升CO2的吸收效率.试验结果表明:凹凸棒石物理吸附CO2的量对钙基吸收剂碳酸化率的提高有一定的贡献,但此贡献要小于吸收剂抗烧结性能的提高所带来的贡献;凹凸棒石对颗粒粒径较大的吸收剂的改性效果较好;不改变钙基吸收剂的粒径,当将提纯凹凸棒石的粒径减小时,其改性效果进一步提高.     

失活钙基吸收剂环境中自活化机理

将经历多次循环后失活的钙基吸收剂置于环境中吸水自活化,通过XRD分析了自活化过程吸收剂物相演变规律,在双固定床反应器系统上分析了吸水率对失活钙基吸收剂循环捕集CO₂性能的影响规律, 通过SEM和N₂吸附分析了自活化提高钙基吸收剂循环碳酸化转化率的机理。结果表明：失活钙基吸收剂首先吸收环境中水分生成Ca(OH)₂,当吸水率达到100%后继续吸水生成Ca(OH)₂?2H₂O,自活化极限为170%;自活化可以提高失活钙基吸收剂循环碳酸化转化率,自活化后钙基吸收剂循环捕集CO₂性能与吸水率呈线性比例关系,重复自活化可再次提高吸收剂循环碳酸化转化率;自活化过程中,失活钙基吸收剂颗粒表面重新生成孔隙,比孔容和比表面积增加,有利于吸收剂中CO₂的扩散,因此自活化后钙基吸收剂循环捕集CO₂性能提高。     

Cl含量对钙基吸收剂微观结构以及动力学性能的影响

通过浸渍法向分析纯CaCO₃中添加Cl,在双固定床反应器系统和热重分析仪上研究了其对钙基吸收剂循环捕集CO₂性能的影响,利用离子反应模型对添加Cl后吸收剂化学反应控制阶段进行动力学分析。结果显示：Cl对钙基吸收剂循环捕集CO₂性能具有不利影响。当Cl/Ca摩尔比大于0.25%后,随Cl/Ca摩尔比增加,化学反应控制阶段反应速率和持续时间均减小,导致在该阶段最终碳酸化转化率降低。对添加Cl前后吸收剂孔隙分布特性进行分析发现,添加Cl导致煅烧后吸收剂烧结加剧,比表面积降低,10~120nm范围内孔分布减少,导致CO₂在吸收剂内部扩散阻力增加,同时能与CO₂反应的CaO量减少,这是导致吸收剂化学反应控制阶段碳酸化反应速度较慢、最终碳酸化转化率较低的主要原因。鉴于Cl的不利影响,在选择钙基材料作为CO₂吸收剂或合成高活性复合吸收剂时,应避免吸收剂中Cl含量过高。     

CO2高温固体吸收剂的研究进展

随着温室效应的日益严重,CO2高温固体吸收剂的研究开发得到了重视.本文主要介绍了高温下吸收CO2的钙基和锂基吸收剂的特性、影响因素及这些材料的研究现状.并针对目前高温吸收剂存在的问题,提出以研究高温吸收机理,提高循环吸收CO2能力,改进制备工艺和制备吸收CO2的二元复合材料作为今后研究的重点.     

煅烧升温速率对于钙基吸收剂脱碳性能的影响

A wire-mesh reactor capable of heating samples at a given heating-rate (1—1000 K•s^-1) was used to investigate the effect of heating-rate on Ca-based absorbent performance of CO₂ capture.BET method was used to analyze the morphology of the produced CaO, and the capabilities of the absorbent were compared.It was found that CaO calcined at a higher heating-rate had more appropriate pore distribution for CO₂ capture, and the capability of CaO calcined at 1000 K•s^-1 was 15% higher than that calcined at 1 K•s^-1 determined by TGA.     

钙基CO2吸收剂的循环特性

对钙基CO₂吸收剂的循环特性进行了实验研究,考察了煅烧温度和碳酸化（吸收）温度对吸收剂最大转化率的影响,比较了常压煅烧-碳酸化（CC）过程和煅烧-水合-碳酸化（CHC）过程中吸收剂的最大吸收能力,并就添加剂对吸收剂循环性能的影响进行了实验研究.结果表明,随着循环次数的增加,吸收剂的吸收能力明显下降,未经处理的吸收剂,循环10次后,其吸收能力基本都下降到20％左右;温和的煅烧温度和较高的吸收温度下,吸收剂的最大转化率比较高;CC过程中吸收剂的最大转化率明显低于CHC过程;添加了氯化钠和碳酸钠的吸收剂的吸收能力急剧下降,但循环性能稳定;多次循环后对吸收剂进行再活化,可使其活性恢复到初始的95％.     

纳米钙基CO2吸附剂反应吸附与分解动力学

采用TGA测定纳米钙基CO₂吸附剂在500～650℃温度范围内,CO₂分压0.015～0.025 MPa氮气气氛中的吸附反应动力学。针对纳米钙基CO₂吸附剂吸附CO₂反应特征,提出以两倍最大吸附速率对应的时间点前后分别为快速反应段与慢速反应段。分别采用Boltzmann方程与Avrami-Erofeev方程拟合快速反应段与慢速反应段吸附反应动力学方程,得到纳米钙基CO₂吸附剂在快速反应段与慢速反应段的活化能分别为27.52、70.25 kJ·mol^-1。吸附率拟合与实验值平均相对误差分别为10.29％、4. 17%。研究测试了纳米钙基CO₂吸附剂在650～800℃温度范围内,N₂,0.02、0.04 MPa CO₂分压氮气气氛中的分解反应动力学。忽略反应过程中传热、传质影响,采用收缩核模型,分别求得吸附剂在N₂,0.02、0.04 MPa CO₂分压氮气气氛中的活化能为141.9、34.7、113.2 kJ·mol^-1。碳酸钙分解率与实验值比较平均相对误差分别小于5.66% 、7.82%、5.01%。     

O2/CO2气氛煤焦的燃烧及其孔隙结构变化

采用热力工况与实际煤粉炉相近的沉降炉实验装置,制备了不同环境气氛下（O₂/N₂及O₂/CO₂气氛）、不同燃尽率的煤焦试样,并采用低温氮吸附仪和扫描电子显微镜测定了其孔隙结构和表面形貌。结果表明,在相同的操作条件下,相同O₂浓度的O₂/CO₂气氛下煤焦的燃烧速率较慢、燃尽率较低,各试样的孔比表面积和比孔容积均较小。两种气氛下燃尽过程孔结构参数（SBET和VBJH）均呈减小趋势,且在孔径变化较明显的区域内（<5 nm）在CO₂气氛下煤焦的孔径分布较小且与煤种相关。SEM图像显示CO₂气氛下的煤焦表面致密,孔隙较少,其定性结果与N₂吸附法的定量测量结果吻合较好。     

负载型钾基CO2吸收剂的结构表征和碳酸化反应特性

The structure identification and carbonation characteristics of several potassium-based supported sorbents for CO₂ capture were investigated with TGA,XRD,XRF,SEM and N₂ adsorption method.Potassium-based sorbents were prepared by impregnation with potassium carbonate on supports,such as cocoanut activated charcoal（AC1）,coal active carbon（AC2）,silica gel（SG）and diatomite（DT）using the iso-volume impregnation method.The results showed that the K₂CO₃ loading amounts of AC1,AC2,SG and DT were 24.1%,22.5%,21.7% and 19.1% respectively.The surface area and pore volume of K₂CO₃/AC1 and K₂CO₃/AC2 were larger than others.In contrast,those of K₂CO₃/DT were small.For K₂CO₃/SG,pore volume was large but surface area was small.K₂CO₃/AC1 and K₂CO₃/AC2 showed excellent carbonation capacity.However,the carbonation capacities of K₂CO₃/SG and K₂CO₃/DT were low.The difference in carbonation capacity of those sorbents were attributed to the difference in pore structure,leading to different supported sorbents.     

CO2在仿生物型吸收剂和其他吸收剂中的溶解度

本文提出一种仿生物型CO2吸收方法,试以生物体内控制呼吸作用的呼吸酶中的关键核心基团为基础,合成出的物质作为CO2吸收剂,通过测定CO2在包括仿生物型吸收剂在内的几种典型吸收剂中的溶解度,说明仿生物型CO2吸收剂的热力学特性及其潜在工业应用前景。     

Enhancement of reactivity in surfactant-modified sorbent for CO2 capture in pressurized carbonation

The calcination/carbonation loop of calcium-based (Ca-based) sorbents is considered as a viable technique for CO₂ capture from combustion gases. Recent attempts to improve the CO₂ uptake of Ca-based sorbents by adding calcium lignosulfonate (CLS) with hydration have succeeded in enhancing its effectiveness. The optimum mass ratio of CLS/CaO is 0.5 wt.%. The reduction in particle size and grain size of CaO appeared to be parts of the reasons for increase in CO₂ capture. The primary cause of increase in reactivity of the modified sorbents was the ability of the CLS to retard the sintering rate and thus to remain surface area and pore volume for reaction. The CO₂ uptake of the modified sorbents was also enhanced by elevating the carbonation pressure. Experimental results indicate that the optimal reaction condition of the modified sorbents is at 0.5 MPa and 700 °C and a high conversion of 0.7 is achieved after 10 cycles, by 30% higher than that of original limestone, at the same condition.     

负载型K2CO3/Al2O3二氧化碳吸收剂的碳酸化反应特性

The carbonation characteristics of K₂CO₃/Al₂O₃ supported sorbent for CO₂ capture was investigated with thermogravimetric apparatus（TGA）,X-ray diffraction（XRD）,scanning electron microscopy analysis（SEM）and N₂ adsorption.The results showed that the carbonation rate of K₂CO₃ before being loaded on Al₂O₃ was slow.However,the K₂CO₃/Al₂O₃ upported sorbent showed excellent carbonation performance.The difference in carbonation behavior between K₂CO₃ nd K₂CO₃/Al₂O₃ supported sorbent was analyzed from the microscopic view.The analytical reagent K₂CO₃ sample was of monoclinic crystal structure and could react quickly with H₂O in the experimental carbonation environment to produce K₂CO₃&#8226;1.5H₂O,which was unfavorable to carbonation reaction.When K₂CO₃was loaded on Al₂O₃,the surface area and porosity of the sorbent was improved greatly.So the carbonation properties of the K₂CO₃/Al₂O₃ supported sorbent was also improved.     

钾基CO2吸收剂的碳酸化反应特性

对钾基CO₂吸收剂的碳酸化反应机理进行研究。利用热重分析、XRD、扫描电镜和氮吸附仪进行试验。结果表明：分析纯碳酸钾的组分为K₂CO₃·1.5H₂O,碳酸化反应速率缓慢;先将分析纯碳酸钾样品脱除结晶水后再进行碳酸化反应时,K₂CO₃与气氛中的水蒸气迅速生成K₂CO₃·1.5H₂O,不利于碳酸化反应的进行;由KHCO₃分解产生的K₂CO₃却表现出优越的碳酸化反应性能,20 min内转化率高达85%以上,经过多次循环试验后吸收剂仍保持很高的活性。从微观角度分析了两种改性钾基CO₂吸收剂碳酸化反应机理差异的原因,通过拟合计算得到了这3种钾基吸收剂的碳酸化反应速率常数,为干法K₂CO₃/KHCO₃循环脱除CO₂的研究提供了一定的基础数据。     

单分散SiO2无孔微球比表面积标准物质的研制

提出一种新型比表面积标准物质的研究思路,即用无孔的单分散SiO₂微球作为比表面积标准物质的材料,它的“真实”比表面积可以通过对其粒径的准确测量,用几何的方法计算出来。这种比表面积标准物质的研制首先要进行单分散SiO₂微球的批量合成;其次是对SiO₂微球进行表面修饰使其表面无孔;再次是对封孔后SiO₂微球的特征尺寸（如粒径、密度）进行测定;最后是进行比表面积的计算和BET测定。实验结果表明：经1000℃灼烧 3h可使SiO₂微球基本不含微孔。采用BET法测量的BET比表面积比它的理论计算比表面积值大,粒径为1150nm、453nm和269nm的SiO₂微球的BET比表面积比它们的理论计算比表面积分别大1.2m²·g^-1、 2.0 m²·g^-1和3.6 m²·g^-1。在这种情况下,计算比表面积值可以作为这类标准物质定值的参考数据。