脱硫石膏改性固体胺复合材料吸附烟气中CO2的研究

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目前,随全球城镇化及工业化的快速推进,CO2排放量保持快速增长趋势,给环境带来一系列问题,如气温上升、冰川融化、生态恶劣等。研究表明,我国近40%的CO2排放量都来源于燃煤电厂,化石燃料的燃烧占主要部分。所以,烟气中CO2的捕集成为环保要求的重要问题。目前吸附法捕集二氧化碳拥有很好的发展前景。研制一种吸附量高、吸附速率快、选择性强、性能稳定的吸附剂是吸附法捕集二氧化碳的关键。固态胺吸附剂是将液态有机胺负载到多孔固态载体上制备而成,具有选择性强、再生能耗低、对设备腐蚀性小等优点,逐渐成为关注热点。在前人将水蒸气通入吸附装置以进行CO2吸附性能考察的研究基础之上,本文试图向吸附剂中添加含水脱硫石膏(FGDG)以考察含水分的吸附剂的CO2吸附性能,主要内容和结论如下:1、将榴莲壳进行炭化制备生物炭(BC),与硅钙渣(SCS)物理混合制备复合载体,通过浸渍法将五乙烯六胺(PEHA)负载到复合载体上,加入含水脱硫石膏,合成新型的含水分的生物炭基固态胺吸附材料。FGDG的加入促进了吸附剂的吸附效果,其中含有的水分改变了氨基与CO2分子的作用机理。当FGDG负载量为30%,进气流量为30 mL·min-1时,吸附剂在85℃下的CO2饱和吸附量最大,为2.33 mmol?g-1。12次循环吸脱附后,BC/SCS-PEHA-30%FGDG的饱和吸附量下降了7.3%。对FGDG改性的BC/SCS-PEHA进行了CO2吸附热力学和动力学的研究。等量吸附热由Clausius-Clapeyron方程计算,整个吸附过程中,吸附热逐渐由物理吸附热转化为介于物理与化学吸附热之间,说明BC/SCS-PEHA-30%FGDG对CO2的吸附作用逐渐由物理吸附转化为物理化学吸附同时作用。Avrami模型对BC/SCS-PEHA-30%FGDG吸附过程的模拟程度较高,进一步验证了吸附剂对CO2分子的物理化学作用。2、采用浸渍法将PEHA和MDEA混合改性BC/SCS-FGDG,制备了含有水分的混合胺固体吸附剂,并考察了其对CO2的吸附行为。PEHA与MDEA之间由于氢键的相互作用,PEHA在载体上的分散更均匀,CO2扩散阻力减弱。同时MDEA作为一种叔胺,在有水分存在的环境下会与CO2发生作用,改善了吸附剂的CO2吸附性能。当PEHA负载量为15%,MDEA负载量为15%,吸附温度为80℃时,饱和吸附量最高为2.95 mmol?g-1,优于PEHA单独改性BC/SCS-FGDG时的吸附性能。经12次吸脱附循环后,BC/SCS-FGDG-15%PEHA/15%MDEA的饱和吸附量仅下降4.2%,具备优良的再生性能。对BC/SCS-FGDG-15%PEHA/15%MDEA及PEHA单独改性时的CO2吸附结果分别用Frenudlich模型和Temkin模型进行模拟。Frenudlich模型对两者的拟合程度均较高,而化学吸附模型Temkin对BC/SCS-FGDG-15%PEHA/15%MDEA的拟合结果优于对PEHA单独改性时的拟合结果,说明MDEA的加入增强了吸附剂的化学吸附作用。3、用PEHA/K2CO3对BC/SCS-FGDG进行混合改性,当K2CO3加入量为20%,进气流量为30 mL·min-1,吸附温度为80℃时,BC/SCS-FGDG-PEHA/20%K2CO3达到最大CO2平衡吸附量为2.91 mmol·g-1,表现出最佳CO2吸附性能。吸附剂中K2CO3的加入促进了对CO2的吸附,K2CO3中在含水条件下与CO2分子发生作用,促进了碳酸氢盐的形成。经12次循环吸脱附过程后,BC/SCS-FGDG-PEHA/20%K2CO3的CO2吸附量仅降低了4.5%,具有良好的循环稳定性。
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