SBA-15及其复合催化剂降低单乙醇胺溶液解吸能耗的研究

摘要

基于全球日益变暖及其引起的极端气候多频率发生的大背景下，开发成本低廉，技术先进的CO2的捕获、利用与封存技术(CCUS)具有重大的现实意义和工业需求。目前，有机胺法捕集二氧化碳技术是技术最为成熟，工艺最为先进，应用范围最广的碳捕集技术之一，但因其再生能耗大成为制约其大规模应用的主要技术瓶颈。传统胺溶液再生过程的解吸温度大于373.15K，大部分能量用于溶剂的气化，导致较低的能源效率，且再生过程运行能耗约占脱碳系统总能耗的三分之二以上。因此，开发节能、高效的富胺再生技术显得至关重要。　　本文以传统的单乙醇(MEA)胺溶液为研究对象。为了促使伯胺溶液的解吸反应快速进行，除输入足够高的热量进行驱动以外，还可以采用向富胺溶液中加入促进Amine-COO-断裂的质子与促进去质子化反应的碱性基团。SBA-15分子筛拥有较大的中孔比表面积及较好的热稳定性，本文设计与制备改性SBA-15分子筛及其复合催化剂，并将其添加到伯胺溶液中，开展SBA-15及复合型催化剂催化富MEA溶液降低再生能耗的研究。本课题的主要研究内容如下：　　(1)采用水热合成法，设计与合成了酸碱双功能催化剂SO42-/ZrO2/SBA-15，并探究了该系列催化剂与SBA-15、HZSM-5催化剂对富MEA溶液再生性能的作用规律。实验结果表明SO42-/ZrO2/SBA-15催化剂的加入与空白实验相比，解吸能耗分别降低了20-26.5%，表明所开发的SO42-/ZrO2/SBA-15催化剂催化效果好。此外，还采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、N2吸附-脱附实验(BET)、氨和CO2程序脱附(NH3/CO2- TPD)、吡啶吸附红外光谱(Py-IR)等手段技术对催化剂的物化性质进行了表征，发现酸性位点、比表面积及碱性位点对富MEA溶液的再生性能影响最大。最后，基于实验结果和表征结果，提出了酸碱双功能催化剂催化富MEA溶液再生的可能反应机理。　　(2)采用后合成法，设计合成了复合型催化剂(Fe3O4-ZrO2@SBA-15/Beta、ZrO2@SBA-15/Beta及SBA-15/Beta)，并探究该系列复合催化剂与SBA-15、Beta催化剂对富MEA溶液再生性能的作用规律。研究结果表明Fe3O4-ZrO2@SBA-15/Beta催化剂的加入与空白实验相比，解吸能耗降低33%，再生性能提高216%，表明所设计的复合催化剂催化效果良好。此外，亦采用XRD、FT-IR、BET、NH3/CO2-TPD及Py-IR等表征手段对催化剂的微观组成和化学性质进行了分析，结果表明布朗斯特位点、比表面积及强酸位点对对富MEA溶液的再生性能影响最大。最后，基于富MEA溶液再生实验及催化剂表征实验结果，提出了可能的复合催化剂催化富MEA溶液再生机理。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 CO2捕集利用与封存技术

1.3 CO2捕获技术

1.3.1 物理吸收法

1.3.2 低温精馏

1.3.3 膜吸收法

1.3.4 化学吸收法

1.4 降低 CO2解吸能耗的方法与研究进展

1.5 课题的立题意义与主要内容

第2章试验装置及分析方法

2.1 实验药品及仪器

2.2 催化剂表征

2.2.1 X 射线衍射（XRD）

2.2.2 傅里叶红外变换(FT-IR)

2.2.3 N2吸附脱附实验（BET）

2.2.4 NH3和 CO2的程序升温吸脱附（NH3-TPD/CO2-TPD）

2.2.5 吡啶红外（Py-IR）

2.3 实验装置与步骤

2.3.1 实验方法的可行性分析

2.3.2 CO2负载分析方法

2.3.3 催化性能评价因子

2.3.4 实验注意事项

第3章 SO42-/ZrO2/SBA-15 催化剂的制备及其对MEA溶液再生的催化性能

3.1 酸碱双功能催化剂的制备（SO42-/ZrO2/SBA-15）

3.2 催化剂表征

3.2.1 催化剂结构特性分析

3.2.2 催化剂酸碱特性分析

3.3 CO2解吸性能研究

3.4 催化剂稳定性分析

3.5 吸收性能研究

3.6 催化机理分析

3.7 本章小结

第4章 Fe3O4-ZrO2@Beta/SBA-15 催化剂的制备及其对MEA溶液再生的催化性能

4.1 催化剂制备方法

4.1.1 复合分子筛的制备

4.1.2 金属纳米/Beta-SBA-15 复合材料的制备

4.2 催化剂表征

4.2.1 催化剂结构特性分析

4.2.2 催化剂的酸度特性分析

4.3 CO2解吸性能的研究

4.4 催化剂稳定性分析

4.5 吸收性能研究

4.6 催化机理分析

4.7 小结

第5章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的论文

致谢