碳酸酐酶和超声波耦合强化固体废弃物碳酸化固定CO2的试验研究

摘要

由温室气体CO2等所导致的温室效应已引起国际社会的广泛关注，其中75％的CO2来源于化石燃料的燃烧，燃煤电厂是排放主体，由于电厂烟气流量大，排放压力接近常压，CO2体积分数低；因此；控制燃煤电厂二氧化碳排放是减缓全球变暖的重要措施。钙基固体废弃物碳酸化固定CO2可实现CO2的永久封存，并可实现CO2原位固定，但苛刻的反应条件、过慢的反应速率是困扰该技术发展的瓶颈。
　　本文提出采用超声波与碳酸酐酶耦合技术强化CO2碳酸化固定过程；首先对超声波作用下的钙离子浸出及其碳酸化反应特性进行了试验研究，并与搅拌浸出过程进行了对比，考察了浸出条件的影响及其碳酸化反应过程中溶液pH值与电导率的变化特性，对碳酸化反应产物进行了XRD、SEM和TGA分析。结果表明，超声波可有效促进钙离子从钙基固体废弃物中浸出，其促进效果与固体废弃物种类、浸出时间、超声波功率、浸取剂pH值、浆液存放量和固体废弃物粒度等有关，钢渣和电石渣的钙离子浸出率和超声波强化效果都较其他固体废弃物高；钙离子浸出浓度随超声波功率的增强而增大；浸取剂pH值越低，浸出浓度越高；固体废弃物粒度越粗，超声波作用越明显。超声波对碳酸化反应也有强化效果，与机械搅拌相比，在超声波作用下碳酸化反应程度更高，固碳率提高42.9％。
　　本文以聚酯80为载体制备了可催化促进CO2水合反应的固定化碳酸酐酶，获得了固定碳酸酐酶的最优制备条件，并比较了固定化碳酸酐酶和游离态酶的酶学性能；然后将固定化碳酸酐酶作为吸收塔的填料，考察了固定化酶催化吸收CO2的性能。结果表明：碳酸酐酶的最优固定条件为：固定过程中缓冲Tris溶液的pH值为7.5，固定化反应时间为24h，反应温度为35℃，加酶量为1mL酶液(0.1mg/mL)/g聚酯80载体。碳酸酐酶经固定化后，最适反应温度为25℃，比游离态酶低了5℃，最适反应pH值为8.0，比游离态酶提高近一个pH值单位，并且固定化酶的pH值稳定性、热稳定性、操作稳定性和贮藏稳定性都得到了较大程度提高。固定化碳酸酐酶作为填料催化吸收CO2过程中，吸收效率随着进口CO2浓度的增大而降低，浓度从9％升至15.4％，吸收效率从63％降至42.7％，吸收量从0.75g/min升至1.97g/min；吸收效率随着空塔气速的增大先增加后减小；吸收效率随着液气比的增大而增大，液气比从4L/m3升至12L/m3，吸收效率由30.9%增至57.7％；吸收效率随着固定化碳酸酐酶装填量的增加呈现先显著增大然后趋于平缓的趋势。