【摘 要】
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CO2捕集、利用与封存技术是大规模减少温室气体排放,加速我国实现“3060双碳目标”的重要途径之一。钙基吸附剂因其具有较高的CO2理论吸附量和高温捕集CO2适应性,是一种有效的吸附剂。然而,钙基吸附剂易在高温下烧结失活,通常需要添加额外的惰性稳定剂进行改性。因此,本文以焚烧底灰为研究对象,提出基于全量化利用的垃圾焚烧底灰钙基吸附剂制备方法,以期在提高CO2吸附能力的同时,降低其成本和减少残渣的二次
【基金项目】
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国家自然科学基金(No.22176048); 河北省自然科学基金(No.2021202030);
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CO2捕集、利用与封存技术是大规模减少温室气体排放,加速我国实现“3060双碳目标”的重要途径之一。钙基吸附剂因其具有较高的CO2理论吸附量和高温捕集CO2适应性,是一种有效的吸附剂。然而,钙基吸附剂易在高温下烧结失活,通常需要添加额外的惰性稳定剂进行改性。因此,本文以焚烧底灰为研究对象,提出基于全量化利用的垃圾焚烧底灰钙基吸附剂制备方法,以期在提高CO2吸附能力的同时,降低其成本和减少残渣的二次处理问题。通过底灰中Ca O的提取、残渣衍生惰性稳定剂的制备与分析、钙基吸附剂的制备与改性等方面的研究,分析了吸附剂的理化特性和形貌结构等对循环捕集CO2性能的影响,揭示了残渣衍生惰性稳定剂增强CO2吸附剂稳定性和吸附能力的作用机理。具体的研究结果如下:首先,以乙酸为提取剂对焚烧底灰中的CaO进行提取。考察了乙酸浓度(15%~30%)对提取的Ca O的循环捕集CO2能力的影响。结果表明,随着乙酸浓度的提高,Ca O的CO2捕集能力逐渐提高。但当乙酸浓度从25%升高至30%时,Ca O的CO2捕集能力没有显著提高,在经历10次碳酸化/煅烧循环后,其CO2吸附量都处于0.07 g CO2/g sorbent-0.09 g CO2/g sorbent的范围内,表现出相当的捕集能力和稳定性,因此综合考虑后选择25%乙酸提取的Ca O用于后续钙基吸附剂的制备。其次,基于废物全量化利用的理念,对于乙酸提取后的剩余残渣进行热改性获得惰性稳定剂,通过湿混法将惰性稳定剂与Ca O进行混合,研究了混合比例、碳酸化温度、煅烧气氛等因素对钙基吸附剂循环捕集CO2性能的影响。结果表明,当碳酸化温度为700°C,惰性稳定剂添加量为20%时,吸附剂的CO2捕集能力和稳定性最强,初始吸附量为0.26 g CO2/g sorbent,经过20次循环后CO2吸附量降低了46.15%,分别是未添加惰性稳定剂Ca O的1.23倍和0.57倍。这是由于湿混法会提高吸附剂的孔隙使吸附量增加,热改性将惰性稳定剂中的晶体型Si O2转化为具有高反应活性的无定形Si O2。无定形Si O2和Ca O反应生成Ca2Si O4,同时惰性稳定剂中的无定形Al2O3也会和Ca O反应生成Ca12Al14O33,这两种物质具有较好的抗烧结性和支撑作用。因此提高了Ca O的循环稳定性。但当惰性稳定剂的掺杂量超过30%时,惰性稳定剂消耗了较多的Ca O而使吸附剂的CO2捕集能力下降。最后,利用碳球模板法对上述钙基吸收剂改性,将钙基吸附剂微观形貌调节为球状结构,有利于提升循环捕集CO2能力。添加20%惰性稳定剂的改性钙基吸附剂比表面积提高到37.72 m~2/g,是未经碳球模板改性的钙基吸附剂比表面积的2.33倍,初始捕集能力达到了0.36 g CO2/g sorbent,经过20次循环后的吸附量仍有0.21 g CO2/g sorbent。
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