掺杂型CO_2钙基吸附剂的制备及循环吸附性能研究

【摘要】：二氧化碳(CO2)造成的温室效应引起的气候变化在国际社会受到越来越多的关注。钙基吸附剂具有吸附容量大、高温下实现CO2分离、原料廉价易得等优点,使得钙基吸附剂具有非常好的研究前景,但是钙基吸附剂经过反复煅烧会导致发生烧结现象,为了解决钙基吸附剂易烧结和转化率低等缺陷,国内外研究者对其进行了大量的研究,其中目前研究最多的是掺杂改性。中国是人口大国,每年都产生数亿吨的固体废弃物,固体废弃物的处理给环境增加了负担。固体废弃物电石渣的主要成分是CaCO3,本研究通过对煅烧后的电石渣(CS)掺杂改性,制备掺杂型CO2钙基吸附剂,本研究将主要分为以下四个部分:(1)采用高温固相法制备Li4SiO4,以制备的Li4SiO4为掺杂剂,分别以CaO和CS作为钙源进行掺杂改性,考察掺杂量、预煅烧时间、预煅烧温度对吸附剂循环吸附性能的影响,得出最佳的掺杂型CO2钙基吸附剂的制备条件,结果发现:改性后的循环转化率明显提高。另外,以CS为钙源掺杂改性后,由于CS中含有杂质,预处理后使吸附剂发生了“自催化”现象;通过XRD表征发现Li4SiO4掺杂CS后生成了 Li2O,Li2O对于CO2吸附是一个活性组分,有利于CO2的循环吸附;根据形貌表征发现,CS-LS-5-4-850吸附剂循环后形成了稳定的“硬骨架”结构。(2)采用溶胶-凝胶的方法制备氮化硅(Si3N4),研究Si3N4掺杂对CS循环吸附CO2的影响,首先采用三种类型的Si3N4(α型Si3N4、β型Si3N4和自制的Si3N4)对CS掺杂,根据循环后转化率大小选择较优的掺杂剂,发现自制的Si3N4掺杂后提升效果最明显。之后再考察掺杂量、预煅烧时间、预煅烧温度对吸附剂循环吸附性能的影响。通过XRD图可知:自制的Si3N4不仅含有α型Si3N4,还含有β型Si3N4,另外Si3N4掺杂后未与CaO反应。通过SEM形貌表征,Si3N4可以起到稳定孔隙结构的作用,促使吸附剂在循环后形成稳定的“硬骨架”结构。(3)根据上述实验中得到的最佳条件,对制备的掺杂型CO2钙基吸附剂CaO-LS-15-4-800、CS-LS-5-4-850 和 CS-Si3N4-5-4-850 进行长周期循环考察,研究结果发现:CS-LS-5-4-850吸附剂具有较好的吸附性能,经过20次循环后转化率分别比 CaO-LS-15-4-800 和 CS-Si3N4-5-4-850 高 37.71%和 15.66%。(4)采用应用较多的Avrami-Erofeev方程对本论文研究制备的两种吸附剂CS-LS-5-4-850和CS-Si3N4-5-4-850进行吸附动力学研究。首先按照dX/dt=0.02对应的时间对吸附过程进行分段,0～8 min是快速反应阶段,8～90 min是慢速阶段。最终计算得出C S-L S-5-4-8 5 0吸附剂在快速阶段的活化能为3 9.50 k J/m o l,慢速阶段的活化能为68.84 kJ/mol;CS-Si3N4-5-4-850吸附剂在快速阶段的活化能为68.17 kJ/mol,慢速阶段的活化能为102.34 kJ/mol,活化能越低,反应所需的能量越低,即本论文制备的吸附剂吸附CO2过程分为快速阶段(化学反应阶段)和慢速阶段(扩散反应阶段),这与实际的CO2吸附过程也是相吻合。