復合型鈉基CO2吸收劑制備及反應機理研究.pdf

1、由于CO2等溫室氣體的大量排放造成了全球氣候惡化，控制和減少CO2的排放已成為國際社會日益關(guān)注的重要議題。燃煤電廠作為排放CO2最多的場所，開發(fā)適合其特點的CO2捕集技術(shù)至關(guān)重要。其中，鈉基吸收劑干法脫除煙氣中CO2的技術(shù)由于能耗低、對設備無腐蝕、無二次污染、鈉資源儲量豐富等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注，但鈉基吸收劑脫碳技術(shù)的工業(yè)化應用仍然受限于吸收劑的脫碳量低、脫碳活性差等問題。
　　針對該問題，本文利用氨基修飾傳統(tǒng)的鈉基吸收劑，并對制備得

2、到的復合型鈉基CO2吸收劑脫碳特性進行了詳細研究。具體包括以下內(nèi)容:
　　考察了以酚醛樹脂的前驅(qū)物間苯二酚/甲醛和二氧化硅的前驅(qū)物正硅酸乙酯作為載體材料前驅(qū)物時，氨基的流失率及吸收劑脫碳特性。發(fā)現(xiàn)以二氧化硅為載體時，氨基流失率較低，主要原因在于氨基前驅(qū)物水解過程中能夠與二氧化硅形成很好的化學連接，提升了氨基粘接在凝膠框架上的強度，實驗結(jié)果表明二氧化硅對氨基的有效負載量高于酚醛樹脂對氨基的有效負載量。由于氨基流失率低，加之載體材料分

3、子量小，以二氧化硅為載體的吸收劑理論脫碳量明顯高于以酚醛樹脂為載體的吸收劑，實驗結(jié)果與理論分析一致，表明正硅酸乙酯是一種合適的載體前驅(qū)物。
　　研究了以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、二乙烯三氨(DETA)、三乙烯四氨(TETA)為氨基前驅(qū)物時，復合型鈉基吸收劑的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和碳酸化反應特性，發(fā)現(xiàn)以APTES和TETA作為氨基前驅(qū)物時，均能得到良好的表面特性和較高的脫碳量，綜合考慮成本等因素

4、，選定APTES為復合型鈉基吸收劑的氨基前驅(qū)物，以TEOS為載體前驅(qū)物，Na2CO3為活性成分，制備得到高脫碳量的復合型鈉基吸收劑NaN。
　　研究了常規(guī)干燥、有機溶劑置換法真空干燥、超臨界干燥等三種干燥方式對吸收劑孔隙特性的影響，發(fā)現(xiàn)有機溶劑置換法真空干燥和超臨界干燥得到的復合型鈉基吸收劑脫碳性能均優(yōu)于常規(guī)干燥法制備的NaN吸收劑。其中，超臨界干燥法由于消除了氣液界面，將干燥過程中表面張力的影響降到最小，有效避免了凝膠過程中凝膠

5、骨架結(jié)構(gòu)的坍塌，因而制備得到的SCFD-NaN吸收劑孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，脫碳量高達2.5 lmmol/g。分析了活性成分與載體配比對吸收劑結(jié)構(gòu)特性和脫碳性能的影響，發(fā)現(xiàn)APTES:Na2CO3:TEOS=1:1:1時，吸收劑既具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)又具備較高的理論脫碳量，碳酸化反應轉(zhuǎn)化率高，因此選定此配比的吸收劑作后續(xù)研究。
　　研究了NaN吸收劑在小型固定床反應器中的碳酸化反應機理，發(fā)現(xiàn)復合型鈉基吸收劑的最佳反應溫度為50℃，當反應溫度高

6、于70℃或者低于30℃時，NaN吸收劑的脫碳量大幅降低，這主要是由于反應路徑和反應速率隨溫度上升發(fā)生了變化。研究結(jié)果還表明，當反應氣氛中H2O:CO2=1:1（CO2體積濃度為10％）時，NaN吸收劑達到最大的脫碳量。水蒸氣濃度過低時，復合型鈉基吸收劑的反應路徑發(fā)生改變，導致活性成分轉(zhuǎn)化率降低;而水蒸氣濃度過高時，易在固體吸收劑表面發(fā)生冷凝，阻礙氣固接觸，從而降低復合型鈉基吸收劑的脫碳量。
　　研究了復合型鈉基CO2吸收劑的再生機

7、理，發(fā)現(xiàn)Na2CO3和-NH2均能夠在150℃下完全再生。循環(huán)脫碳實驗表明，復合型鈉基CO2吸收劑在10次循環(huán)內(nèi)保持了良好的脫碳性能。對循環(huán)反應前后吸收劑孔隙結(jié)構(gòu)的分析表明，NaN吸收劑熱穩(wěn)定性良好，但結(jié)構(gòu)性能仍有提升空間。
　　以上研究工作獲得的主要成果有:(1)探明了復合型鈉基CO2吸收劑中各組分（包括載體及其前驅(qū)物及活性成分（碳酸鈉，不同氨基前驅(qū)物））的合成機制，研制出以正硅酸乙酯(TEOS)為載體前驅(qū)物，碳酸鈉為活性成分，