固定化碳酸酐酶催化N-甲基二乙醇胺捕集CO2的研究

摘要

温室气体所引起的全球气候变暖问题已经成为全世界关注的焦点。CO2是最重要的温室气体，同时也是重要的碳资源。越来越多的人致力于研究CO2的捕集、封存和利用技术。目前应用最为广泛的CO2捕集方法是有机胺吸收法。在众多有机胺吸收法中，N-甲基二乙醇胺（MDEA）由于其具有化学稳定性好、吸收负荷高、腐蚀性小、再生能耗低等优点，但其也具有CO2吸收速率低的缺点，因而推广受到了一定的限制。向MDEA溶液中加入活化剂，促进其捕集CO2的性能，成为克服MDEA缺陷的关键手段。碳酸酐酶（CA酶）是迄今为止发现的最高效的CO2水合催化剂，它能将CO2快速转化为HCO3ˉ，从而有效促进了CO2吸收。但游离CA酶具有稳定性差、回收能力低的缺点，阻碍了CA酶的工业化应用。因此，本文采用环氧基磁性复合微球固定化CA酶，并利用固定化CA酶催化MDEA水溶液吸收CO2，以达到高效、经济碳捕集的目标。主要的研究结果如下：
　　（1）本文用共沉淀法制备Fe3O4，随后通过改性使其表面携带双键，最后通过聚合法合成环氧基磁性复合微球。实验制备所得的环氧基磁性复合微球聚合良好，且表面携带环氧基团，磁性复合微球内部Fe3O4的质量分数为47%，饱和磁强度为48.75emu g-1，并且呈现超顺磁性。将其应用于固定化CA酶，CA酶通过共价结合成功固定。
　　（2）通过对CA酶催化MDEA水溶液吸收CO2性能的研究表明，游离CA酶和固定化CA酶均能高效催化MDEA水溶液吸收CO2，在最佳催化温度313.15K下，固定化CA酶催化效果较弱。但固定化CA酶的贮藏稳定性和重复利用性较好。
　　（3）通过对MDEA水溶液吸收CO2机理以及CA酶催化CO2水解机理的研究表明，CA酶通过促进CO2水解实现了MDEA水溶液吸收CO2吸收速率的提高。基于双膜理论，本文建立了CA酶催化MDEA水溶液吸收CO2体系的传质反应动力学模型，并获得了重要的动力学参数，在313.15K条件下，投加与未投加CA酶，MDEA水溶液吸收CO2的二级反应速率常数分别为：415、929m3 kmol-1 s-1。MDEA水溶液吸收CO2的二级反应速率常数k2和增强因子E都随CA酶投加量的增加而增大，并且呈线性关系。
　　CA酶催化MDEA水溶液捕集CO2作为新型的CO2捕集方法，结合了CA酶与MDEA水溶液捕集CO2的优势，它将为CO2更有效的控制和减排提供策略，另外，本课题的研究将为该技术的应用奠定更加扎实的理论基础。

目录

声明

主要符号对照表

第1章 文献综述

1.1 课题背景

1.2 有机胺捕集CO2

1.3 活化强化MDEA捕集CO2

1.4 CA酶催化捕集CO2

1.5 立题依据

1.6 研究内容

第2章 实验装置和方法

2.1 实验试剂与仪器

2.2 实验装置

2.3 环氧基磁性复合微球的制备与CA酶固定化

2.4 参数定义及分析方法

2.5 双搅拌釜气液相分传质系数

2.6 重要物化参数

2.7 样品的表征

第3章 CA酶催化MDEA水溶液捕集CO2特性研究

3.1 CA酶对有机胺水溶液吸收CO2的影响

3.2 游离CA酶催化MDEA水溶液捕集CO2

3.3 固定化CA酶催化MDEA水溶液捕集CO2的影响

3.4 游离CA酶和固定化CA酶的贮存稳定性

3.5 固定化CA酶重复利用性能

3.6 干扰离子对CA酶催化MDEA水溶液吸收CO2的影响

3.7 本章小结

第4章 CA酶催化MDEA水溶液捕集CO2动力学研究

4.1 以p-NPA为底物的酶催化反应动力学

4.2 CA酶催化MDEA捕集CO2的机理

4.3 CA酶催化MDEA捕集CO2的传质机理

4.4 CA酶促进MDEA水溶液捕集CO2传质反应动力学

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 本文创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果