基于大气CO2捕集的湿法再生吸附剂实验研究

摘要

从大气中捕集CO2是一种新兴的CO2捕集技术，主要是考虑到即使电厂等CO2集中排放源全部采用CCS（二氧化碳捕集与存储）技术，汽车、飞机等交通工具仍会排放大量的CO2到大气中去。因此从大气中捕集CO2可以作为一种有效的控制大气中CO2浓度的方法。
　　 湿法再生是指特定吸附剂在和水或湿空气接触时，会利用水中的自由能来完成CO2的解吸附过程，并进而实现吸附剂的再生。不同于目前大部分CO2吸附剂都是采用变温或是变压的方法再生，由于湿法再生过程可在常温常压下进行的，能够有效地降低CO2的捕集能耗，具有很好的发展前景。
　　 本文以可以进行湿法再生的阴离子交换树脂膜作为研究对象，讨论了吸附剂膜材料在不同工况下的CO2吸附/解吸附特性、反应热以及一些基本性能参数。
　　 研究了表面改性的商业阴离子交换树脂膜(I-200)材料的表观结构、电荷密度、失水特性及在10、20、30℃工况下吸附剂膜材料对空气中CO2吸附反应动力学。实验结果表明I-200型吸附剂膜材料的表面多孔结构有助于其吸附空气中的CO2。吸附剂的吸附速率会随着温度的升高而增加。
　　 利用DSC方法观察了I-200型吸附剂膜材料在不同工况下的反应热。发现在30-60℃工况下，吸附剂膜材料与空气中CO2反应的反应热为2-5 kJ/mol CO2。同时通过对含有不同量的水合水的吸附剂膜材料的反应热的观察，发现吸附剂膜材料表面水合水的数量对膜材料与空气中CO2反应的反应热有较大影响，但其机制尚有待探索。
　　 通过改变吸附剂膜材料的制备工况，探讨了吸附剂膜材料的优化方案。探索了制膜过程中使用的树脂颗粒粒径、选择树脂颗粒的质量分数及膜厚度对吸附剂膜材料的吸附量及吸附速率的影响。经过实验发现，树脂颗粒粒径越小、质量分数越高，吸附剂膜材料的吸附性能越好。较厚的膜材料具有较大的吸附量与机械强度但吸附速率较慢。
　　 探索了采用优化方案制备出来的膜材料在不同温湿度工况下的CO2吸附特性以及在室温下的湿法再生解吸附特性。实验发现吸附剂膜材料的CO2吸附量受温度影响不大，但温湿度会对反应速率有较大的影响。通过湿法再生，吸附剂膜材料可以解吸附超过95％的CO2吸收量，是一个可逆的吸附过程，在2500-30000s范围内CO2解吸附量随时间呈线性变化。
　　 本文还对利用吸附剂膜材料用于从大气中捕集CO2进行了能耗和经济性分析。以一个CO2捕集量为1吨/天的捕集单元为对象，分析了其能耗和经济性。发现相比于用燃煤电厂利用MEA进行燃烧后CO2捕集的成本，从大气CO2捕集成本较高，但利用本文的湿法再生技术，其能耗有望小于燃煤电厂利用现有MEA技术进行燃烧后捕集;敏感性分析表明改善吸附剂膜材料的吸附反应动力学能够有效地降低从大气中捕集CO2的成本。

目录

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 全球变暖与CO2减排

1．1．2 烟气CO2分离技术

1．1．3 从大气中捕集CO2

1．2 从大气中捕集CO2的原因及其热力学分析

1．2．1 从大气中捕集CO2的原因

1．2．2 从大气中捕集CO2的热力学

1．3 国内外对空气捕集CO2技术的研究

1．3．1 强碱溶液吸收剂

1．3．2 沸石

1．3．3 固态胺

1．4 湿法再生和阴离子交换树脂

1．4．1 湿法再生

1．4．2 阴离子交换树脂

1．5 空气中捕集CO2的经济性

1．6 捕集后CO2的利用和储存

1．7 论文选题思路和研究内容

1．7．1 选题思路

1．7．2 研究内容

2 实验方法

2．1 实验装置

2．1．1 吸附反应动力学测试系统

2．1．2 解吸附性能测量系统

2．1．3 吸附剂膜材料电荷密度测量方法

2．1．4 实验所用仪器

2．2 实验参数定义及计算方法

2．2．1 CO2吸附量

2．2．2 吸附饱和度

2．2．3 吸附剂膜材料吸附动力学常数

2．2．4 吸附剂膜材料所含水合水的量

2．2．4 CO2解吸附量

2．3 实验误差分析

2．4 本章小结

3 I-200型膜材料的CO2吸附性能及反应热

3．1 吸附剂膜材料吸附CO2原理

3．2 膜材料的电荷密度测试

3．3 膜的SEM表征

3．4 膜材料的失水特性

3．5 吸附剂材料CO2吸附动力学分析

3．6 吸附剂膜材料的反应热

3．6．1 实验方法

3．6．2 不同温度下吸附剂膜材料的反应热

3．6．3 吸附剂膜材料表面水合水数量不同时吸附剂的反应热

3．7 本章小结

4 吸附剂膜材料的优化及性能测试

4．1 前言

4．2 吸附剂膜材料的制作

4．3 吸附剂膜材料优化及筛选

4．3．1 吸附剂膜材料的表面结构

4．3．2 吸附剂膜材料CO2吸附能力

4．4 优化工况下的吸附剂膜材料的CO2吸附能力测试

4．4．1 吸附剂膜材料的电荷密度

4．4．2 吸附剂膜材料在不同温度下的吸附性能

4．4．3 吸附剂膜材料在不同湿度下的吸附性能

4．5 优化工况下制备的吸附剂膜材料湿法再生性能测试

4．6 本章小结

5 利用湿法再生技术从大气中捕集CO2的能耗分析

5．1 利用湿法再生技术从大气中捕集CO2的模型

5．2 利用湿法再生技术进行大气CO2捕集的能耗分析

5．3 利用湿法再生技术从大气中捕集CO2的经济性

5．4 本章小结

6 全文总结和展望

6．1 全文工作总结

6．2 本文创新点

6．3 不足之处和工作展望

参考文献

作者简历

致谢