不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳试验研究

摘要

社会发展对化石燃料的依赖导致了CO2的排放增加，由其引起的气候变化问题得到了越来越多的关注。CO2的捕集和封存利用是减缓温室效应的重要途径;但是仅靠单一的措施应对CO2问题是不现实的，需要不断提出新的思路新的方法，从各个角度综合减少CO2的排放。
　　 本文提出了一种可以实现CO2永久固定与资源化利用的固碳方式，利用浓海水、地下卤水、工业废水等富含钙镁离子的溶液，以不溶性有机胺作为pH调节剂，通过萃取碳化反应的方式实现二氧化碳的矿化固定。这种方式在固定CO2时可以实现溶液中的钙镁离子分别固碳，为生产多种纯净副产物提供可能。另外，pH调节剂易于回收再生。
　　 本文首先探究了利用富钙镁离子溶液固碳的可行性，对以浓海水为代表的富钙镁离子溶液中的碳酸盐缓冲体系进行了分析，结果表明提高碳酸根浓度可以实现溶液中钙镁离子与CO2的碳酸盐化反应，而提高碳酸根浓度有提高CO2分压和溶液pH值两种方式。以寻找可再生的提高溶液pH值的调节剂作为本文研究重点，考察了添加无机碱和可溶性有机胺对碳酸盐化反应的强化效果，试验结果表明这两种方式只能强化碳酸盐沉淀的形成却无法使调节剂再生重复利用。考虑到不溶性有机胺可以提高溶液的pH值，同时易于分离回收再生，继而提出了利用不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳的思路，并从理论上分析了其可行性。
　　 其次，进行了不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳的可行性探究试验，结果表明钙离子可以以碳酸钙沉淀的形式沉淀出来，而镁离子并未形成碳酸镁沉淀。反应后的有机相可以通过加入浓氨水的形式实现再生，再生率高达95％。证实了不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳的试验可行性及较高的再生利用率。
　　 最后，进行了以三丁胺作为萃取剂，正丁醇作为稀释剂组成的pH调节剂与浓海水固定CO2的试验研究。考察了反应中各试验参数对碳酸盐化效果的影响，包括稀释比、相比、搅拌时间、搅拌速度、反应温度。结果表明:当稀释比为2∶1，相比为3.5∶1，搅拌速度500r/min，温度20℃时，钙离子的沉淀率可以达到90％左右。另外简单尝试了以三辛胺代替三丁胺作为萃取剂，仍以正丁醇为稀释剂组成的有机相作为pH调节剂的试验效果。分别设计了使用浓氨水及Ca(OH)2固体对有机相进行再生的试验，试验表明，使用浓氨水时有机相的再生率为95％，而使用Ca(OH)2固体再生时，再生率可基本达到100％。将用浓氨水再生后的有机相及Ca(OH)2固体三次再生后的有机相与浓海水混合进行萃取碳化反应的能力与新鲜有机相进行了比较，结果证明，再生后的有机相仍然保持较高活性，反应结束后盐水相的钙离子沉淀率基本没有变化，因此有机相可以通过再生进行重复使用。
　　 根据浓海水中钙镁沉淀物的形成规律及有机相的再生特点，本文设计出了以钙离子替换浓海水中的镁离子，利用不溶性有机胺强化富钙离子溶液固碳，同时利用替换产生的氢氧化镁固定二氧化碳的工艺路线，有机相可以通过再生重复利用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 CO2排放现状与全球气候变化

1．2 CO2捕集技术

1．2．1 燃烧前捕集技术

1．2．2 燃烧中捕集技术

1．2．3 燃烧后捕集技术

1．3 CO2封存技术

1．3．1 地质封存

1．3．2 海洋封存

1．3．3 生物封存

1．3．4 矿物碳酸化封存

1．4 本文的主要研究内容

第2章 pH调节剂的选择及不溶性有机胺强化固碳原理分析

2．1 富钙镁离子溶液固碳基本思路

2．2 可溶性pH调节剂强化固碳及回收利用研究

2．2．1 添加无机碱性溶液

2．2．2 添加可溶性有机胺及纳滤回收

2．3 不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳思路

2．4 本章小结

第3章 不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳可行性验证

3．1 试验装置及试验原料

3．1．1 试验装置

3．1．2 试验原料

3．1．3 试验流程

3．2 试验测试方法

3．2．1 碳酸盐沉淀率

3．2．2 沉淀物相分析

3．2．3 有机相再生率

3．2．4 pH值测量

3．3 试验结果及分析

3．3．1 难溶碳酸盐沉淀形成规律分析

3．3．2 三丁胺再生试验研究

3．4 本章小结

第4章 不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳优化试验

4．1 试验装置及试验原料

4．2 试验流程及测试

4．3 试验结果与讨论

4．3．1 稀释比对碳酸盐形成的影响

4．3．2 相比对碳酸盐形成的影响

4．3．3 搅拌时间对碳酸盐形成的影响

4．3．4 搅拌速度对碳酸盐形成的影响

4．3．5 反应温度对碳酸盐形成的影响

4．3．6 不溶性有机胺再生试验

4．3．7 其他不溶性胺强化固碳试验尝试

4．4 不溶性有机胺强化富钙镁离子溶液固碳工艺

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文