氧化碳高温吸附剂的研究进展

1、二氧化碳高温吸附剂的研究进展#【摘 要 】近年来 ，温室效应逐渐成为环境问题中最核心的问题之一。 为了保护环境和充分 利用资源，各国的科学家都开始了对 CQ减排和利用的研究工作。本文主要简述了近年来对 CQ高温吸附剂的研究进展及未来的发展情况。【关键字 】二氧化碳；高温吸附剂；化学吸附；活性炭；沸石分子筛1. 引言随着经济的高速发展，生活的不断进步，作为最主要温室气体CO的排放量日益增加，已经严重威胁到人类的安全与可持续发展。减少CO等温室气体的排放是当前要解决的全球核心问题之一，必须要妥善解决。例如，日本于2010年3月至2011年3月仅仅一年时间内，因化石燃料燃烧造成的二氧化碳排放量上升了

2、 4.4 %，达到11.22亿吨。燃化石燃料的工厂CQ的排放方式主要是通过烟道气， 烟道气的温度较高，一般都在350 C以上，由于气体温度较高，而大多数的常规 吸附都是物理吸附。 而一般的物理吸附剂吸附量随温度的升高而降低， 不适于高 温使用，因此对烟道气中CQ的分离一般都要进行降温等一系列处理。变温吸附 过程的最大不利在于脱附周期时间过长， 以致于降低了热气和吸附剂的最大接触 面积。由此可见，如何提高高温CQ吸附剂及其性能的研究具有重要的理论意 义和实际应用价值。2. 二氧化碳处理技术目前烟道气CQ分离方法有很多种，主要方法有溶剂吸收法、膜分离、吸附法等21-1. 溶剂吸收法CO2 的吸收溶

3、剂主要包括含有缩硫醇作为氧化控制剂的烷醇胺， 以及含有烷 基哌嗪的甲基二乙醇胺、二烃基碳酸酯、聚乙二醇二甲醚、单 -硅烷基- 烷基胺、 正丙醇胺、吗啉衍生物等。化学吸收溶剂对气体有较好的吸收效果 . 但却难以推 广，因为溶剂再生时需加热，能耗大，而且还存在污染空气、易氧化降解、对设 备腐蚀严重等缺点 3 。1-2 膜分离法膜分离法是利用一些聚合材料 , 如醋酸纤维和聚酰亚胺等制成的薄膜对不 同气体具有不同的渗透率这一特性来分离气体 , 其中包括分离膜和吸收膜两种 类型。其推动力是膜两边的压差。 工业上用于二氧化碳分离的膜材质主要有醋酸 纤维、乙基纤维素、 巨苯醚及聚砜等。 近些年来 , 随着材

4、料科学的迅速发展 , 涌 现出不少性能优异的新型膜质材料 , 如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、 二胺基聚砜 复合膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜及含相对分子质量低的丙烯酸脂等 4 , 它们 均表现出了良好的二氧化碳渗透性。 随着高分子材料的不断发展和制膜技术的不 断完善 , 膜分离法在从燃放气中分离二氧化碳方面一定会大有作为。1-3 吸附法鉴于以上溶剂吸收法的一系列缺点， 吸附法以其设备工艺流程简单、 自动化 程度高、对设备腐蚀性弱、产品纯度高、能耗低、易再生等优点而引起了人们的 关注。 5 吸附法主要包括物理吸附法和化学吸附法等两种方法。1-3-1. 物理吸附法物理吸附法主要包括活性炭吸附法、沸石分子

5、筛法等方法。（1）. 活性炭吸附活性炭是一种最常见的黑色大比表面孔性吸附剂，其主要成分为无定型碳， 还有少量的氢、氧、氮、硫及灰分。不同的制备工艺和活化方法制得的活性炭的 理化性质和表面化学性质都会有差异。 决定活性炭吸附能力大小的主要是比表面 大小、孔结构特点、表面性质和吸附质的吸附。国丽荣等 1 研究了用活性炭纤维 吸附俘获二氧化碳，发现了活性碳纤维复合材料分子筛具有很多引人注目的特 性，如高微孔体积和较大的高比表面积，从而使得它比沸石和传统的颗粒活性碳具有更好的吸附能力。具有降低捕获成本的潜力，（2）. 沸石分子筛沸石分子筛是天然或人工合成的含碱金属和碱土金属氧化物的结晶硅铝酸 盐。它有

6、严格的结构和孔隙， 孔隙大小因结构差异而略有变化， 从而可达到对不 同分子大小物质的分离。这类吸附剂常用于气体分离和净化如空气制氮、CO的分离与纯化等，它的吸附能力亦随着温度的升高而降低。在温度为0C、压力为101. 73 Ida时，吸附C02勺量为3. 82 mmo/g，温度升高到175C时，吸附量只 有0C时的23%。目前研究了用ASRT5分子筛吸附除去太空舱中的CQ。物理吸附 只有在低温下才比较显著， 如果可逆的改变条件， 吸附平衡发生变化， 降低分压 或升高温度就容易脱附。由于烟道气的高温环境和 CO的分压较低，因而此类吸 附剂并不适用 6 。1-3-2. 化学吸附法本文所述的几种吸附

7、烟道气CO的方法中，化学吸附法最常用。高温 CO化学 吸收剂主要有：氨水吸收剂、锂基吸收剂（Li2ZrO3、Li4SiO4、Li 2CuO等）、钙 基吸收剂（ CaO 等） 、金属氧化物吸收剂 （ ZnO、 CuO、 MnO、 PbO、 Li 2O 等）等。 本文简单介绍氨水吸收剂法、 锂吸收剂法、 钙吸收剂法等几种常见得分化学吸附 方法。（1） . 氨水吸收剂法氨气可以和CO发生化学吸收反应，只是在烟气中含有大量的 CO,所以需要 高浓度的氨气才能达到脱除CO的目的，而氨气的爆炸极限是15%一 28%，如设 计不当很容易引起爆炸，因此工业流程上不直接采用氨气脱除C2。采用喷氨技术除去CO,产

8、物为碳酸氢铵。当温度到60E以上时碳酸氢铵会逐渐分解并释 放除CO和NH。铵根离子是可被植物吸收的一种氮肥，它可以促进植物生长。而 土壤中的碳酸根离子可以与土壤中碱土金属离子化合成稳定的碳酸盐，如CaCO,和MgCO这样C。就会被永久的保留在土壤中，即使部分碳酸氢铵重新分解，释放的CO也有利于植物的光合作用中国研究者曾经对喷NH3,吸收CO:温室气7体的机理做过深入研究8-9,合理条件应为：28C左右，1大气压，17 min左右的 反应时间， 根据实际需要调整氨水浓度的配比， 使用1 7一27的氨水即可以达 到80一95以上的脱除率，反应比较充分。(2) . 钙基吸附剂法钙基吸收剂是一种理想的

9、CO高温吸收剂。该方法是将钙基吸收剂在锻烧炉内热解成CaQ同时产生的CO被回收，CaO进入到碳酸化反应器捕捉化石能源利 用过程中产生的C形成CaCQ后再进入到锻烧炉内热解释放出CO,反应循环 进行，同时补充新鲜吸收剂。它的循环吸收反应方程式如下 :CaO + CO f CaCO ;CaCO f CaO + CO 2CaO作为吸收剂，在CO体积分数为20%的气氛下，当反应温度为550700 C时，CaO能有效地吸收CO;当温度为800 C时，生成的CaCO开始分解，870 C时分解速率最大，700750 C为其最佳吸附温度范围。它的理论吸收 量可达78.6%。CaO对CO吸收容量比较高，而它的制

10、备成本却比较低，同时它的 使用寿命较长并具有良好的抗磨性，因此CaO成为优选的CO吸收剂。但以CaO作 为高温CO脱除剂也存在缺点。例如，当CaO颗粒与CO发生反应时会在CaO颗粒 表面形成CaCO产物层，它会阻碍CO分子进一步扩到CaO颗粒内部，从而影响了 CaO与CO的反应，导致转化率下降，并且当煅烧温度超过 900 C,生成的颗粒 容易烧结，从而使CaO的反应能力下降，降低了对CO的吸收能力。因此，很多 研究者对改进钙基吸收剂的缺点进行着广泛而深入的研究。 8(3) . 锂基吸附剂法通过对铁酸锂 ( LiFeO2) 、镍酸锂( LiNiO2) 、钛酸锂( Li4TiO4) 、锆酸锂 (

11、Li 2ZrO3) 、锗酸锂 ( Li 4GeO4) 和硅酸锂 ( Li 4SiO4) 等锂基吸收剂进行大量对 比研究发现，Li4TiO4和Li4GeO虽然在高温下也能吸收CO，但不论是吸收量还是 吸收速率均低于Li 4SiO4。在高温条件下，锆酸锂和硅酸锂对 CO的吸附-脱附性 能良好， 因此引起了许多学者的关注和重视 9。王银杰等10-11在锆酸锂和硅酸锂 对CO的吸附-脱附性研究中颇有进展，具体研究范围为吸附剂制备方法、 金属离 子参杂时对吸附剂吸附性的影响等。3. 结语全球对CO减排的要求日益迫切，对CO分离技术提出挑战，要求开发更多适 合在模拟烟道气环境下CO高温吸附的化学吸附剂，合

12、成多次吸附再生循环使用 的吸附剂；与此同时，解析CO在不同吸附剂上的吸附机理，寻找最佳的方法来 改性吸附剂以提高C02勺吸附量，研究CO在吸附剂上的吸附和解吸动力学， 实现 最优工业化工艺条件；并发展集中多种优点的耦合分离技术以提高分离性能等。 由此可见，高效吸附、无污染、低成本且可以大规模生产的 CO高温吸附剂是未 来高温CQ吸收剂的发展方向，从而可以为节能减排、充分利用 CO资源、走可持 续发展道路做出贡献。【参考文献 】1 国丽荣，谭羽非活性碳纤维吸附捕获烟气中CO分析低温建筑技 术,2012,1,102.2 费维扬，艾宁，陈健.J.化工进展，2005, 24 (1): 1 - 3.3

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