关于变压吸附co2气体的研究

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1、关于变压吸附CO2气体的研究ZanLiuandWilliamH.Green*化学工程学系，麻省理工学院，77马萨诸塞大道，66-352室，坎布里奇，马萨诸塞州，美国摘要：使用初湿含浸法制备了一种含有氧化镁的用于温室气体CO2的新型吸附剂。使用特制的高压微量天平系统和热重分析仪得到了可逆吸附等温线,循环稳定,吸附速率。实验数据表明在180−240°C的温度范围至少84个吸附周期内,该吸附剂具有相当大的可再生的吸附容量，较低的吸附热和稳定的工作能力。在此温度范围内新型吸附剂的性能优于合成水滑石和K2CO3改性水滑石。因此该吸附剂在吸附CO2方面有很好的应用前景。1.引言：CO2气体过量排放

2、引起全球气候变暖的观点已经被越来越多的人接受1。在所有的能源中，化石燃料产生的CO2排放量是最大的2。与此同时，煤是最廉价易得的燃料3。因此，在可预见的未来，煤依然是主要的能源，在发展中国家更是如此。面对这种困境，新技术应该有更高的能源利用率和更少的CO2排放量。目前，伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统是实现这一目标最可行的方法4。几种可用的都基于一个相同的前提。煤在高温高压下与蒸汽和空气分离单元提供的氧一起气化5。产生的气体在一个气液反应器中变为H2/CO2混合气体。混合气体随后冷却，脱除硫，悬浮粒子和CO2，然后再一个气体涡轮发动机中燃烧完成能量转换，废气中的一部分热能被一

3、个热能再利用系统用于驱动一个蒸汽涡轮，产生额外的能量。与传统的煤粉加工相比，整体煤气化联合循环发电系统有两个重要的特征6。首先，因为联合循环，整体煤气化联合循环发电系统可以得到跟高的能量效率。其次，反应器中的气流有更高的压力，有利于硫，汞，氮氧化合物，微粒物质和CO2，使得尾气处理跟便宜。目前，最先进的CO2捕获过程包括用物理或化学溶剂洗涤气流，比如单乙醇胺，低温甲醇洗，赛列克索法。这些吸收过程都要走温度较低的环境下进行。所以来自液气转换器的气流必须充分冷却，产生大量的能耗6,7。与传统CO2补集方法相比，新技术消耗更少的能量，产生更少的操作费用，因而更有前景。先前的研究8,9已经对H

4、2渗透膜10,11，CO2渗透膜12，变压吸附13等高温度下的CO2分离过程，寻找提高吸附效率的方法。而我们最近的研究1437对之前的工作进行了扩展，比较了用于伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统模型。结构表面，对于温度较高的气体（200—300℃），变压吸附比其他方法更有效。广泛用于石油和化工行业的变压吸附15，有很多显著的优势，比如较低的能量要求，较低的费用，易于使用。尽管有这些优势，只有少量与200—300℃下可再生吸附CO2的文章发表。为了在要求的温度范围内适用，吸附剂需要维持可再生能力，较快的吸附速度，较低的吸附热。已经工业化的吸附剂例如活性炭，沸石和氧化铝等在高于15

5、0℃便丧失了他们对CO2的吸附能力。超级活性炭16在220℃还具有对CO2的吸附能力，但它对CO2/N2的选择性很低。我们同样对通过掺杂阳离子获得的碱性沸石17,18进行了测试，他对极性气体比如SO2和水蒸气的吸附性能较差。图1高压微平衡图文献还研究了一些无机材料在较高温度条件下对碳的捕集能力，比如氧化钙19,20，锆酸锂21，硅酸锂22,23，钠基吸附剂24，滑石类复合材料25,26，双盐吸附剂27等。氧化钙在700℃下仍能保持较高的吸附容量，但却有着糟糕的再生能力，较低的吸附速率，和极高的热量要求。锂基材料在450—550℃仍然能够捕集CO2，但是他们的吸附速率也较低。钠基材料在2

6、00—400℃范围内展现了良好的吸附性能，但该材料在700℃下才能再生，所以并不适合变压吸附。两性盐吸附剂在高温下有较高的吸附容量，但再生很困难28。在这些无机材料中，HTls是最有前景的CO2捕集剂，有大量关于这方面的研究。然而，HTls的工作温度没无法满足我们的要求29,30。最近，美国国家能源科技实验室研究了一种氢氧化镁基吸附剂31，该吸附剂在200—300℃有较大的吸附容积，可以在375℃37再生。然而，通过热处理进行再生依然无法满足我们的需求。此外，该吸附剂的穿透曲线显示其吸附速率较低，这可能与该吸附剂较低的比表面积有关。我们的目标是找到一种在较高温度下仍然有很好再生能力，较

7、低吸附热，较高吸附速率的吸附剂。该吸附剂在最初的润湿浸渍后，表现出了较高的比表面积和适宜的孔径分布，有利于CO2的迅速吸附。我们实验室构建了一个高压微平衡系统去表针吸附剂的性能。通过对其吸附容积，循环再生能力，吸附速率的细致研究，并与HTls做比较，我们证明该吸附剂在变压吸附温度较高的CO2方面很有前景。2.实验部分2.1吸附剂的合成吸附剂通过润湿浸渍法制得，该方法被广泛用于制备多相催化剂。为了获得最佳性能，不同的镁前驱体（硝酸盐，柠檬酸盐，草