捕集空气中CO2的促进传递膜及其膜过程研究

摘要

未来的几十年内，人们为了减缓气候变暖的趋势，减少大气中的二氧化碳量成为了一种必然的趋势。在实现这一目的的多种渠道中，二氧化碳的捕集与储存技术具有重大意义。作为一种补充手段，从大气环境的点源中富集二氧化碳（二氧化碳捕集），以抵消分散的排放源排放二氧化碳产生的效应。并且在CO2排放受限后，该技术仍能进一步减少大气二氧化碳浓度。膜技术做为一种操作简单，易于集成的分离技术，在大气中低浓度CO2捕集方面表现出独特的技术优势。
　　由于聚乙烯亚胺(PEI)含有大量-NH-基团能与CO2发生可逆反应，本文选择PEI做为促进传递分离层，与聚乙烯醇(PVA)共混交联，制备PEI-PVA/聚醚砜(PES)中空纤维复合膜用于空气中二氧化碳的分离与富集。首先将PEI-PVA的超薄层涂覆在PES中空纤维上制备得到复合膜;以压缩空气为原料测试组装的复合膜组件，考察其CO2渗透性和CO2/N2选择性;同时考察了PEI的浓度和干燥温度对复合膜的影响并优化了分离工程的操作条件;最终对该复合膜从空气中分离CO2的性能进行了评估。为了优化PEI-PVA膜对CO2的促进传递性能，考察了浸图时间、制膜温度、PEI和PVA浓度等制备条件对膜性能的影响:当制膜干燥温度为100℃时，膜的分离性能随着PEI浓度的增加而增加。当铸膜液中PVA含量降至2％时，PEI浓度可以增至10％，但此时膜的浓缩性能下降。此外，适当延长浸涂时间可以提高膜的分离性能，但是在PVA浓度为2％时，浸涂时间不能长于2小时，PVA浓度为4％时，浸涂时间不能长于2小时，否则导致膜分离性能下降。在PEI浓度为6％，膜性能达到最优的条件下，CO2在较低气压下(1bar)通量达到1.4×10-7mol/m2.s.Pa,CO2/N2选择性达到300。在更高压力下(3bar)，随着原料空气流速的增加，复合膜渗透性从2.6×10-8mol/m2.s.Pa提高至原来的300％(7.7×10-8mol/m2.s.Pa)。当复合膜活性层PEI浓度为6％且高气压(3bar)操作条件下，在渗透侧可以获得浓度为0.8％的CO2浓缩气体。
　　最后对富集CO2的未来应用方向进行了评价，通过微藻培养实验发现使用较高浓度CO2的压缩空气培养的藻类比使用开放大气培养的藻类生长得更快。因此，将富集的CO2气体用于微藻培养可能具有重要的意义。

目录

THESIS RELEASE CERTIFICATE

声明

Certification

Dedication

Acknowledgements

Table of contents

List of Tables

List of Figures

概要

Abstract

摘要

Chapter 1 Introduction

1．1 Research Background

1．2 Research Problems

1．3 Objectives

1．4 Scopes of the Study

Chapter 2 Literature Review

2．1 The importances of carbon dioxide capture

2．2 Capturing carbon dioxide from the air

2．2．1 Carbon dioxide enrichment technologies

2．2．2 Membrane separation for capturing carbon dioxide

2．2．3 Capturing carbon dioxide by facilitated transport membrane

2．3 The usage of carbon dioxide on photosynthesis organisms(e．g microalgal cultivation)

2．3．1 Correspondence between the concentration of carbon dioxide and microalgal cultivation

2．3．2 Possibility of CO2 capture and utilization for microalgal cultivation

Chapter 3 Materials and Experiment

3．1 Materials

3．2 Membrane preparations

3．3 Membrane characterizations

3．3．1 Attenuated Total Reflection Fourier Transmission Infrared Spectroscopy(ATR-FTIR)

3．3．2 Scanning Electron Microscopy(SEM)

3．4 Gas permeation experiment

3．5 Microalgal cultivation

3．5．1 Materials and method

Chapter 4 Characteristics of Membrane Separation

4．1 PVA crosslinking studies

4．2 Characteristic of PEI-PVA／PES membrane via FTIR

4．3 Scanning Electron Microscopy (SEM) morphology

4．3．1 Pristine PES membrane

4．3．2 Membrane cross-section of composite PEI-PVA／PES membrane

4．3．3 Effect of drying temperature on surface morphology of composite PEI-PVA／PES membrane

4．3．4 Effect of the drying temperature on membrane cross-section

4．3．5 SEM image of high PEI and PVA composition

Chapter 5 Facilitated Transport for Capturing Carbon Dioxide from the Air

5．1 Facilitated transport membrane

5．1．1 Facilitated transport model

5．2 Membrane Separation process for capturing CO2 from air

5．3 Separation performance

5．3．1 Effect of different PEI concentrations

5．3．2 Effect of feed flow rate on membrane performance

5．3．3 Effect of drying temperature On separation performances

5．3．4 Effect of low PVA concentration

5．4 Optimum performance for concentrating CO2 from air and recovery capacity

5．4．1 Determination of microalgal growth by different CO2 sources

5．4．2 Economic evaluation

Chapter 6 Conclusions and recommendations

6．1 Conclusions

6．1．1 Innovations

6．2 Recommendation for assessing future energy technologies

References

List of publications