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高温二氧化碳吸附剂的制备与表征

刘叶凤  
【摘要】: 随着温室效应的日益加剧,C02作为主要的温室气体,其排放受到世界范围的广泛关注。减少CO2排放的一种重要方法是发展CO2高效捕集和处理技术,而无论是化石能源燃烧还是化工过程中产生的CO2气体,一般具有以下特点:排放气体温度较高;CO2气体浓度不高;含有高浓度的水蒸汽。传统的吸收CO2的方法是将含有CO2气体的流出气先冷却,再通过胺类等弱碱性溶剂进行吸收。但此方法存在以下几方面的问题:1)流出气冷却过程能耗大;2)溶剂再生过程溶剂易挥发或降解;3)对在化工过程中产生的CO2气体不能原位吸收。因此研究制备高温下可高效快速吸收低浓度CO2气体的固体吸收材料具有重要的理论和实际应用价值。本论文主要分为以下两部分: 1)采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备锆酸锂材料,通过与固相法、普通液相法、共沉淀法等制备方法进行对比,发现溶胶-凝胶法制备的锆酸锂材料具有最佳的CO2吸收性能。对优化后的锆酸锂材料采用热分析仪(TG-DTA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)等多种表征手段进行分析。探讨了柠檬酸溶胶-凝胶法制备材料的晶相组成、表面形貌、颗粒大小、锻烧温度和C02流速及分压等对锆酸锂材料C02吸收性能的影响,并考察了吸收材料的循环吸收性能。结果表明,优化后的锆酸锂材料具有良好的高温CO2吸收性能,550℃下C02分压为0.5 bar时,15min内吸收量可达20wt.%;20 min左右可达吸收平衡,平衡吸收量达25.7 wt.%;经三次吸收-解吸循环后,其C02吸收性能没有发生明显变化,表明锆酸锂材料具有良好的稳定性。 2)在制备上述锆酸锂材料的基础上,采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备钾改性锆酸锂,发现钾改性后,其吸收性能尤其是C02低分压下吸收性能有很大程度的提高。设计正交试验对改性锆酸锂的制备工艺进行系统性的优化。采用热分析仪(TG-DTA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附、透射电镜(TEM)等对材料进行表征;探讨钾改性后材料二氧化碳吸收性能大幅提高的原因。结果表明,合成的改性锆酸锂材料具有良好的高温CO2吸收性能,具有最佳吸收性能的材料在550℃下,CO2分压为0.25 bar时,10 min左右吸收量达到20 wt.%,15 min左右达到吸收平衡,平衡吸收量约为23.5wt.%。经四次吸收-解吸循环,样品的吸收速率没有明显下降,说明改性锆酸锂材料具有良好的稳定性。极佳的CO2吸收性能使所制备的钾改性锆酸锂材料有望应用于原位移除化工过程(如天然气水蒸汽重整制氢过程)中产生的CO2气体。


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