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包覆改性纳米碳酸钙的制备及CO_2循环吸附性能研究

王燕  
【摘要】:CaO具有与CO2化学计量反应吸附容量、成本低、来源丰富等优点,CaO与CO2吸附-脱附的钙循环过程,广泛用于烟气脱碳、反应吸附强化甲烷蒸汽重整制氢等过程。但是在钙循环过程中,随着循环次数的增加,吸附剂的CO2吸附能力显著衰减是制约CaO基C02吸附剂工业应用的关键问题。因此,研究CaO基C02吸附剂在循环反应过程中吸附容量的稳定性(简称稳定性)的提高,在环境、化工石油等行业都有重要的理论和现实意义。 本文研究以纳米碳酸钙为吸附剂前驱体,采用吸附相反应技术,分别采用TiO2、MgO以及A1203对纳米碳酸钙进行表层包覆改性,制备包覆改性的纳米CaO基CO2吸附剂。研究改性后纳米碳酸钙性能和纳米CaO基CO2吸附剂的循环吸附容量稳定性提高的原理和方法。 首先采用吸附相反应技术制备Ti02包覆纳米碳酸钙,研究了Ti02含量和制备温度对改性吸附剂的稳定性的影响,结果表明:Ti02含量为10wt%时的纳米CaCO3制备的CaO具有最好的吸附稳定性和高吸附容量,30次循环后吸附容量仍有4.8mol/kg吸附剂。在较低的温度下(0-20℃)制备Ti02包覆的纳米CaCO3,有利于形成相对均匀的TiO2包覆层,使吸附剂稳定性提高。 采用吸附相反应技术制备MgO包覆纳米碳酸钙,研究了包覆中MgO的原料、MgO的含量以及改性吸附剂的热处理温度等对吸附剂的稳定性的影响。研究得到最佳MgO含量为12wt%,最佳吸附温度为650℃-700℃,此时吸附剂的吸附容量和稳定性有大幅提高。与直接混合或沉淀法等方法制备的MgO改性吸附剂相比,MgO包覆改性吸附剂的稳定性最好,30次循环后吸附容量衰减率从60%-70%降低为30%。 此外,采用吸附相反应技术制备A1203包覆纳米碳酸钙,研究了A1203含量、预处理煅烧温度等对改性吸附剂的稳定性的影响。经过不同煅烧温度下的预处理后,A1203含量为20wt%的改性吸附剂在吸附-脱附循环过程中都表现出了最高的吸附容量和相对较好的稳定性。XRD测试证明Ca12Al14O33的形成成为结构稳定载体是吸附容量稳定性提高的原因。比较不同方法制备的A1203改性吸附剂的循环稳定性,A1203包覆改性的吸附剂在不同吸附温度下具有最好的循环吸附性能,吸附容量最大且稳定性好。 采用XPS表面元素分析的方法,测定包覆层的致密性,将吸附稳定性与包覆均匀性密切联系,得出致密系数为1.0的吸附剂稳定性最佳的效果。包覆层均匀性用SEM测试得到实验证实。研究结果表明:TiO2, MgO和A1203对纳米碳酸钙的改性都达到了良好的包覆效果,包覆层物质相对均匀分布在纳米碳酸钙表面。提出了包覆改性提高吸附剂稳定性的机理解释模型,虽然不同材料包覆改性的纳米CaO基CO2吸附剂稳定性提高的程度有所不同,但是其提高改性吸附剂的循环稳定性的机理是相同的,认为都是通过在纳米碳酸钙表面均匀包覆的惰性物质形成支撑骨架,防止煅烧过程中CaO的团聚和烧结,维持改性吸附剂的结构稳定,从而提高吸附剂吸附容量的稳定性。


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