实验八NH3CaSO4法固定CO2温室气体

1、实验八NH3-CaSO4法固定CO2温室气体班级：12应化A班姓名:叶灿健学号:在地球环境的许多问题中，最引人注目的是全世界变暖的问题，也确实是温室效应。二氧化碳气体是遍室效应的要紧来源之一。气候转变已经从科学问题变成现今国际的政治和经济问题。现在, 如何节约资源、节约能源和减少排放的温室气体已成为时期的主题。随看人们更多的注意资源的欠 缺和地球变暖，各类各样的化石燃料,如煤炭、石油和天然气燃烧和利用后,将二氧化碳作为废气 排放。二氧化碳作为一个潜在的碳资源，应用领域已取得了普遍的进展，如炼钢吹气、饮料添加剂、 采矿添加剂和化学肥料。尽管仍然应该有一些工作要进一步进展，以化学或物理吸附剂方式捕

2、捉燃 烧后二氧化碳的技术是最可能能应用于化石燃料的电力行业。例如利用胺捕捉二氧化碳技术I 2, 氨捕捉二氧化碳技术【3, 4, 5,钙循环技术等。氨或胺捕捉二氧化碳技术和钙循环技术具有某些优 势和缺点,必需通过进一步研究进展克服比如碳酸氢钱(NH4HCO3)固体形成高氨进入气相,减缓 二氧化碳吸收率7】。NH3-CaSO4法具有在环境温度高固化率，无氨渗漏和从硫酸钙中回收硫资源 的特点。能够应用燃煤火力发电厂的二氧化碳减排，也能够用于改造传统的硫酸披和硫酸生产技术、实验原理C02 (g) + CaSO4-2H2O (s) + 2NH3 二 CaCO3 (s) + (NH4)2SO4 + H2O

3、二、实验试剂、仪器和材料仪器和材料:pHS-3D酸度计(带温度传感器).磁搅拌器、AB胶、10mL移液管、软塑料导气管、自制500 mL反映器装置等。试剂:硫酸钙(AR , 0 200 mu 1 35%氨水(AR L高纯CO2 (高压气瓶蒸催水、盐酸(AR L石磊溶液指示剂。三、实验内容 实验技术线路与内容图1是一个工艺流程图。利用胶软管连接二氧化碳气源和移液管,插入反映器的 底部。称取g CaSO4-2H2O和别离移取38毫升浓NH3 H2O和100毫升水加入反映 器中，把二氧化碳导入反映器中(Pco2 =_ MPa)后，记录的反映体系的pH值和遍度 随时刻的转变数据于表1中。Fig. 1

4、Routine of technique在那个实验中，酚猷;作为指示剂。当酚酥指示剂的粉红色完全消失，说明二氧化 碳和氨的反映和硫酸钙已经完成。利用2或3滴稀盐酸直接与白色固体(采样于反映 器)反映，有大量的泡沫从解决方案和白色固体消失说明CaS0.-2H：0已经变成碳酸钙。 过滤反映液体，烘干产品碳酸钙，并称量。重复实验和MPa的二氧化碳压力条件下， 别离与硫酸钙和氨反映在一个开放的系统并记录数据于表1中。Table 1 data obtained from an open systemdQQjfartial pressure (MPa)CaSOVgH2O/mL100NHrH2O (35%)

5、/mL38Reaction tinie/min进程动力学称量克或克CaSO4 2 H2O和量取38毫升浓NH3 H2O和100毫升水密闭反映中， 在磁力搅拌下导入二氧化碳(Pco2= Mpa),同步记录pH值和温度与反映时刻的转变, 数据别离记录于表2和表3中。Table 2 COzreaction with CaSO42H2O and NHylhO (Closed system)Time (s)PHTemperature (C)pOHOH/mol/L0X 10320X10440X10460X10480xio5100XIO5120XIO5140XIO5160XIO5180xio5200XIO-

6、5220xio5240X 10260XIO-6280X 10300XIO-6320X 10-6340XIO-6360XIO-6380XIO-6400XIO-6420XIO-6440XIO-6460XIO-6480XIO-7500XIO-7520xio7540XIO-7560XIO-7580XIO-7600XIO-79-01 X0Z99-01 X0099-01 X0859-01 X0959-01 X0朽9-01 XOZS9-01 Xoog9-01 X0鴉9-01 X09t9-01 X0计9-01 Xozt9-01 XOOP9-01 X089-01 X099-01 X0城9-01 XOZE9-01

7、 X009-01 X08Z9-01 X09乙9-01 Xotz9-01 XOZZ9-01 X00乙S-Oix081s-OIX091S-OIXOtl$-01 XOZlS-OIX001i-oix08s-OIX09i-oixOtt-oixOZf-OlX0T/IOUI/I-HOHOd(a) oJnjBJdduioiHd(s) ouiii(uiaisXs pasoi3) OzH fHN uoipeajoD 可qe丄-01 X0Z9进程热力学图1中图示工艺进程涉及的化学反映如下：CO2 (g) + CaSO4-2H2O (s) + 2NH? = CaCOs + (NH4)2SO4 + H2O(1)CO2

8、+ NH3 + H2O = NH4HCO3(2)CaSO4 (s) +2NH3 (g) + CO? (g) + H2O (/) = CaCO? (s, calcite) +2NHj+ (aq) + SO42 (aq) (3)CaSCh + 2NH? (g) + CO2 (g) + H2O (/) = CaCOs (s) + 2NH4 +(aq) + SOj2 (aq) (4)2(NH4)2SO3 + O2 = 2(NH4)2SO4(5)(NH4)2SO4 + Fe2O3 = Fe2(SO4)3 + NH3 (g) + H2O(6)Fe2(SO4)3 = Fe2O3 + 3SO3(g)(7)SO

9、3 + H2O = H2SO4(8)四、结果与讨论进程动力学二氧化碳气体浓度对吸收速度的阻碍调剂不同二氧化碳浓度，在相同的加入石育量下，考察石膏完全反映完的通气时 刻，实验结果如图1所示。随着气体浓度提高，吸收反映平稳所需时刻减少。6.46.26.05.8=5.65.45.25.04.84.60.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040CO2/Mpa图1不同C02浓度的平稳时刻加石膏对吸收速度的阻碍加入不同量石膏平稳时刻与pH转变关系见图2。如下图，加入石膏后，溶液整 体pH降低。图2有无CaSO4-2H2O固定剂溶液的pH随时刻的转变由图2能够看岀当二氧

10、化碳(Pco2 = Mpa时，CO2与CaSO42H2O和NH3H2O 反映溶液中的pH随时刻的转变慢慢变成中性，说明那个方式所固定的CO2已生成 CaCCh沉淀，比较稳固；CO?与NHsH2O反映的溶液中pH在接近时达到平稳，溶 液呈碱性，说明HCO3-不稳固，即所固定的CO2不够稳固。二氧化碳(Pco2= Mpa时，加入硫酸钙的情形下固定反映在600s以后，溶液达 到中性，不加入硫酸钙的情形下固定反映在300s的时候，溶液呈碱性，但已达到平 稳状态，继续通入CO2，也难以被固定下来。说明CaSO42比0所固定的CO?比较 稳固，是良好的CO?固定剂。动力学方程曲线假定：二氧化碳固定的吸附量

11、广(1)mOH 为初始浓度(mol/1), OH；为t时刻的浓度(mol/1), v为溶液的体积，m为硫酸 钙的加入量(g)o拟一级动力学表达式如下：丄丄1 +丄(2)Q, qj 么式中，qt： t时刻内的吸附量(mol/g)； qe：平稳吸附量(mol/g)； t：吸附时刻(min)； k1；吸附速度常数，min kl数值的大小反映了吸附速度的快慢；值越大那么吸附 速度越快。1/qi1/t呈线性，由直线斜率和截距可别离求得和乐的值。拟二级动力学表达式如下：式中,qi： t时刻内的吸附量(mol/g)； qc：平稳吸附量(mol/g)； t：吸附时亥9 (min)； k2:吸附速度常数；t/q

12、it呈线性，III直线斜率和截距可别离求得k2和qe的值。 为了简化动力学方程：做岀相应调整。一级动力学方程:v = = Ac，即卜乎= Jkdt,积分后得nc = kt,贝iJlnOH- = kt (4)二级动力学方S： v = -= Jlc2,B|jf-=fkdt,积分后得 1 = kt,则- = kt(5)dtJ c JcOHy=-0.01204x-8.3721R2=0.9560-6(UOE二HOU_-8-10-12-14-160100 200 300 400 500 600 700t/s图3加入硫酸钙固左的一级动力学5000000y=6039.8x-955954.34000000oEI

13、 工 oR2=0.63773000000200000010000000100 200 300 400 500 600 700t(s)图4加入硫酸钙固左的二级动力学山图3、4可知，加入硫酸钙固定的一级动力学方程为：Y= , “2=(相关系数数 值接近于1,曲线越接近于直线)；二级动力学方程为Y二，R22=o这说明了 In (c(OH)随t的变更符合线性关系，说明硫酸钙固定二氧化碳反映 为一级动力学关系。说明物理扩散为控速步骤，可是事实上应符合二级动力学方程， 应该是化学控速的。本实验存在阻碍反映扩散的因素，如该固定反映较猛烈阻碍到扩 散，才致使物理扩散为控速步骤。-13WOE) 士 ou_010

14、0200300400500600700t(S)y=-0.00691x-9.41767R2=0.7727-10-11-12图5没加硫酸钙固上的一级动力学500000400000y=702.8x-32816.7R2=0.98993000002000001000000100200300400500600700t(s)图6没加硫酸钙固左的二级动力学由图5、6可知，没加硫酸钙固定的一级动力学方程为：Y = , Ri2=；二级动力 学方程为Y二，R22=o这说明了 1/OH-随t的变更符合线性关系，说明硫酸钙固定二氧化碳反映为一级动力 学关系。说明化学吸附为控速步骤。进程热力学图7加硫酸钙的温度随时刻转变

15、38图8没加硫酸钙的温度随时刻转变山图7和图8能够看出，这两个反映的温度都随反映时刻的增大而增大，当反映 达到平稳时，加了 CaSCU2吐0的体系温度更高。也说明了两个反映都是放热反映。 温度降低只是平稳通入冰凉的二氧化碳气体才致使的温度降低。A : CO2 (g) + CaSO4-2H2O (s) 4- 2NH? = CaCO3 (s) + (NHJSCh + H2OAfHm (CO2)= kJ/molArHm =molAfHm (NHJ= kJ/molAfHm (CaCOj)=molfHm (NH4)2SC)4)= kJ/mol AfHm (H2O)= kJ/molArHmH=AfHm(C

16、aCO3) +AfHmH (NH4)2SO4) + AfHme (H2O) - 2*AfHme (NH3)-AfHnr(CaSO4-2H2O) - AfHmH (CO2)= () + () + ()-=molB: CO2 + NH3 + H2O = NH4HCO3ArHm W(CO2)= kJ/molAfHm(NH3)= kJ/molAfHniw(H2O)= kJ/molArHm (NH4HCO3)= kJ/molArHmH=AfHnf(NH4HCO3)fHmCC2)fHmNH“ fHmtH/O)=()=mol五、结论参考文献1 Rochelle: Scnjbbing for CO2 Capt

17、ure, Science Vol. 325 (2020), p. 16522 V. Ermatchkov, Kamps, D Speyer, G Maurer: Solubility of Carbon Dioxide in Aqueous Solution of Piperazine in the Low Gas Loading Region, J Chem. Eng Data Vol. 51(5) (2006) ,p. 178&3 Q Zhuang, P. Pomalis, L Zheng, B. Clements: Ammonia-based Carbon Dioxide Capture

18、 Technology: Issues and Solutions. Energy Procedia Vol. 4 (2020), p. 14594 Kim, K. Han， Chun: CO? Absorption with Low Concentration Ammonia Liquor, Energy Procedia Vol. 1 (2020), p. 757.5 F. Kozak, A. Petig, E. Morris, R. Rhudy, D. Thimsen: Chilled Ammonia Process for CO2 Capture. Energy Procedia Vol. 1 (2020), p. 1419.6 Yin, C Zhang, Qin, Lin, H An, G Che