颗粒活性炭负载DBU型吸附剂吸附CO2性能和机理研究

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由大气中温室气体引起的温室效应是人类目前所面临的最主要环境问题之一。在各种温室气体中,二氧化碳(CO2)是最重要的人为温室气体,燃煤电厂是CO2的一个集中排放源,其CO2排放量约占人类活动引起的CO2总排放量的30%,因此研究稳定高效的燃煤电厂烟气CO2捕集技术成为“十二五”期间一个重要的发展需求。本文通过DBU溶液的吸收实验,验证了DBU对CO2优良的吸收性能。并将1,8-二氮杂二环[5,4,0]十一碳-7-烯(1,8-diazabicyclo[5,4,0] undec-7-ene, DBU)负载于颗粒活性炭(granular activated carbon,GAC),制备出不同负载率的DBU-GAC型吸附剂,通过氮吸附对吸附剂孔隙进行表征,通过热重实验研究吸附剂的热稳定特性,开展常压固定床吸附实验,对DBU-GAC型吸附剂吸附CO:的吸附行为进行研究,通过分析其吸附穿透曲线、吸附等温线、吸附容量、吸附量预测以及不同因子条件下的吸附行为,探寻DBU-GAC吸附剂吸附CO2的规律。在溶液吸收实验中数据表明DBU溶液的单位摩尔吸收量高于ETH.DEATEA三种胺类溶液,单位质量吸收量仅有DEA溶液接近同体积浓度下的DBU单位质量吸收量;DBU溶液与CO2反应快,吸收更充分;DBU溶液在室温下对CO2具有优良的捕集效率,开展系列实验研究DBU捕集CO2有良好的意义。对吸附剂的制备数据分析表明DBU能有效地负载于GAC孔隙及表面,且DBU添加量越低,有效负载率越高,DBU的利用率越高。氮吸附分析实验研究表明随着DBU负载量逐渐增加、负载率逐渐升高,GAC的平均孔径呈现出逐渐增大的趋势;DBU对GAC孔结构会产生封闭效应,且主要存在于GAC上微孔和小孔径的中孔;负载DBU并未对中孔表征形状产生较大影响。热重分析实验研究表明吸附剂中的DBU在140℃的条件下有少量的析出,且随着负载率的增加,析出量逐渐增大,质量稳定时间越长;当温度上升至200℃时,DBU的析出量增大,析出速率加快。DBU-GAC吸附剂在低于140℃时具有较好的热稳定性;极性的DBU极易与水结合,能够抑制吸附剂上的水分蒸发,有利于DBU与CO2的耗水反应。通过分析DBU-GAC型吸附剂固定床常压吸附实验数据得到CO2在颗粒活性炭上的吸附主要为微孔填充,吸附初期吸附量就很大,吸附穿透后迅速达到吸附饱和状态;吸附剂在对模拟烟气CO2的捕集过程中,DBU在GAC上的负载虽然增加了吸附剂对CO2的化学吸附能力,但DBU负载产生的膜封效应会在一定程度上影响DBU-GAC吸附剂对CO2的物理吸附和化学吸附能力;DBU的负载率介于样A-1和A-2(5%-11%)附近时,吸附剂的吸附容量较优,吸附效果最佳。通过分析吸附剂的吸附等温线得出:在298K、303K和308K三个不同的温度条件下,四个吸附剂样品的KF值顺序是:A-1>A-0>A-5>A-10,表明A-1对CO2有最强的吸附亲和能力以及最大的平衡吸附量。通过对吸附量的分析及预测得出高负载率的吸附剂样品其吸附量显著低于低负载率的吸附剂样品的吸附量;膜封效应在吸附剂的负载达到一定值后趋于稳定,对吸附剂吸附量的抑制效果已经趋于饱和;多次循环后GAC的孔隙状态逐渐得到改善,模拟烟气流的通过有助于疏通孔隙,高负载率吸附的吸附量将略微上升,低负载率的吸附剂的吸附量将呈现略微下降的趋势。通过对不同因子条件下的吸附剂吸附行为研究得出15%左右的水蒸汽量为最佳的吸附条件;150mL/min的气体流量为最佳的吸附条件;吸附剂经过多次循环使用后性能依然稳定。
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