硅酸锂材料的制备及其高温二氧化碳吸收性能研究

摘要

燃煤电站是CO2的主要排放源，捕集和回收燃煤烟气中的CO2是缓解CO2排放危机最直接有效的手段。硅酸锂作为一种高温 CO2吸附剂，具有吸附容量大、循环性能稳定以及成本合理等优点，被认为是目前能够高温脱除燃煤烟气CO2的有潜力捕集材料。本文主要针对常规固态制备方法合成的硅酸锂吸附剂捕获CO2活性较弱、反应速率较慢，难以达到实际应用需求的缺点，开展优良吸附剂的制备研究，并使用 X-射线粉末衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、N2吸附仪和热重分析仪（TG）等手段对合成样品的物相组成、结构特征及吸附性能进行表征，系统研究吸附剂的高温CO2吸附性能。研究的主要内容如下：
　　（1）利用碳包裹的原理，在溶胶-凝胶法的基础上合成得到一种高效的高温CO2吸附剂（CSG-Li4SiO4）。柠檬酸在整个合成过程中既作为螯合剂使硅与锂的前驱体得到充分的混合，也作为碳包裹中的碳源，可以有效的抑制硅酸锂晶体结构的增大。分别与固固反应和溶胶-凝胶法合成的硅酸锂进行对比，发现利用碳包裹法能够合成纯度高、晶粒尺寸小、比表面积较大的硅酸锂吸附剂，其拥有更高的吸附量，更快的吸附速率和更好的吸附稳定性，其最大吸附量可以达到34.2wt.%。
　　（2）采用溶胶-凝胶法制备分别掺杂有K、Mg、Cr和Ce金属元素的Li4SiO4吸附剂。结果表明，所有掺杂金属元素（K、Mg、Cr、Ce）都能够融入硅酸锂的晶格中，但对Ce而言，其掺杂难度更大。Ce的掺杂能够有效抑制晶体团聚，同时掺杂后形成的CeO2能够有效改善硅酸锂吸附剂颗粒形貌，提高吸附剂吸附性能。Ce2-Li4SiO4在纯CO2、690℃条件下，10min内最大吸附量可达34.57wt.%，对其进行循环吸附性能测试，在10次吸附/解吸循环后，其吸附容量并未出现明显衰减，样品具有良好的可再生能力。
　　（3）采用一种“简单”的水合-掺杂NaCl方法制备硅酸锂吸附剂，以提高其在低浓度CO2下的吸附性能。Li4SiO4材料的水合产物主要是LiOH和Li2SiO3，水合后再生得到的HC样品颗粒粒径有所减小，这将有助于CO2的吸附，其对应的CO2吸附量为13.7wt.%，是SS样品的两倍多。掺杂NaCl后，一方面，有利于制备得到小粒径和大比表面积的硅酸锂颗粒，显著地促进了化学吸附过程。另一方面，在吸收CO2过程中，共掺杂的NaCl诱导形成熔融相，能够显著降低CO2扩散阻力。水合和 NaCl掺杂均能有效提高吸附剂性能。通过对水合NaCl掺杂量的研究发现，掺杂量越大，吸附剂的吸收速率越快，但过量的 NaCl（5wt.%）会导致杂质的形成，从而降低吸附容量。综合判断最佳添加剂比例为3wt.%，HC-3Na最大吸附量高达34.2wt.%。对HC-3Na进行循环吸附性能测试，在10次吸附/解吸循环后，其吸附容量并未出现衰减，维持着32wt.%左右，样品具有良好的可再生能力。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景（Research Background）

1.2 电厂烟气CO2捕集技术（CO2 Capture Technologies Used in Flue Gas of Coal-fired Power Plant）

1.3 吸附强化反应历程(Sorption Enhanced Reaction Process)

1.4 高温CO2吸附剂(High-Temperature CO2 Adsorbents)

1.5 硅酸锂吸附剂研究现状(Research Status of Lithium Silicate Adsorbents)

1.6 课题研究意义及内容(Research Significance and Content)

2 实验部分

2.1 实验试剂及仪器设备(Experimental Reagents and Equipments)

2.2 吸附剂的表征(Characterization of Adsorbents)

2.3 CO2吸附性能测试(CO2 Sorption Performance Test)

2.4 CO2 循环吸附性能测试(Cyclic CO2 Sorption/Desorption Performance Test)

3 采用碳包裹法制备多孔硅酸锂吸附剂及其高温CO2吸附性能研究

3.1 引言（Introduction）

3.2 实验部分（Experimental Section）

3.3 前躯体特性分析（Characteristic Analysis of Precursor）

3.4 吸附剂特性分析（Characteristic Analysis of Sorbents）

3.5 CO2吸附性能(CO2 Adsorption Performance)

3.6 动力学分析及稳定性（Kinetic Analysis and Stability）

3.7 结论（Conclusion）

4 金属元素掺杂对硅酸锂吸附剂CO2吸附性能影响

4.1 引言（Introduction）

4.2 实验部分（Experimental Section）

4.3 不同掺杂元素的影响（Effect of Different Doping Elements）

4.4 不同Ce掺杂量的影响（Effect of the Ce-doping Content）

4.5 动力学分析和稳定性（Kinetic Analysis and Stability）

4.6 结论（Conclusion）

5 水合-掺杂 NaCl 法制备硅酸锂吸附剂及其低浓度CO2条件下吸附性能研究

5.1 前言（Introduction）

5.2 实验部分（Experimental Section）

5.3 不同合成方法(Different Synthetic Methods)

5.4 不同NaCl掺杂量(Different NaCl-doping Content)

5.5 动力学分析和稳定性（Kinetic Analysis and Stability）

5.6 结论（Conclusion）

6 总结与展望

6.1 总结(Summary)

6.2 展望(Forecast)

参考文献

作者简历

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