1、二氧化碳高溫吸附劑的研究進展 #【摘 要】近年來 ，溫室效應逐漸成為環境問題中最核心的問題之一。為了保護環境和充分利用資源，各國的科學家都開始了對CO2減排和利用的研究工作。本文主要簡述了近年來對CO2高溫吸附劑的研究進展及未來的發展情況。【關鍵字】二氧化碳；高溫吸附劑；化學吸附；活性炭；沸石分子篩1. 引言隨著經濟的高速發展，生活的不斷進步，作為最主要溫室氣體CO2的排放量日益增加，已經嚴重威脅到人類的安全與可持續發展。減少CO2等溫室氣體的排放是當前要解決的全球核心問題之一，必須要妥善解決。例如，日本于2010年3月至2011年3月僅僅一年時間內，因化石燃料燃燒造成的二氧化碳排放量上升了4

2、.4，達到11.22億噸。燃化石燃料的工廠CO2的排放方式主要是通過煙道氣，煙道氣的溫度較高，一般都在350 以上，由于氣體溫度較高，而大多數的常規吸附都是物理吸附。而一般的物理吸附劑吸附量隨溫度的升高而降低，不適于高溫使用，因此對煙道氣中CO2的分離一般都要進行降溫等一系列處理。變溫吸附過程的最大不利在于脫附周期時間過長，以致于降低了熱氣和吸附劑的最大接觸面積。1 由此可見，如何提高高溫CO2吸附劑及其性能的研究具有重要的理論意義和實際應用價值。2. 二氧化碳處理技術目前煙道氣CO2分離方法有很多種，主要方法有溶劑吸收法、膜分離、吸附法等2。1-1. 溶劑吸收法CO2 的吸收溶劑主要包括含有

3、縮硫醇作為氧化控制劑的烷醇胺，以及含有烷基哌嗪的甲基二乙醇胺、二烴基碳酸酯、聚乙二醇二甲醚、單-硅烷基-烷基胺、正丙醇胺、嗎啉衍生物等。化學吸收溶劑對氣體有較好的吸收效果.但卻難以推廣，因為溶劑再生時需加熱，能耗大，而且還存在污染空氣、易氧化降解、對設備腐蝕嚴重等缺點3。1-2膜分離法膜分離法是利用一些聚合材料, 如醋酸纖維和聚酰亞胺等制成的薄膜對不同氣體具有不同的滲透率這一特性來分離氣體, 其中包括分離膜和吸收膜兩種類型。其推動力是膜兩邊的壓差。工業上用于二氧化碳分離的膜材質主要有醋酸纖維、乙基纖維素、巨苯醚及聚砜等。近些年來, 隨著材料科學的迅速發展, 涌現出不少性能優異的新型膜質材料,

4、如聚酰亞胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜復合膜、含二胺的聚碳酸酯復合膜及含相對分子質量低的丙烯酸脂等 4, 它們均表現出了良好的二氧化碳滲透性。隨著高分子材料的不斷發展和制膜技術的不斷完善, 膜分離法在從燃放氣中分離二氧化碳方面一定會大有作為。1-3吸附法鑒于以上溶劑吸收法的一系列缺點，吸附法以其設備工藝流程簡單、自動化程度高、對設備腐蝕性弱、產品純度高、能耗低、易再生等優點而引起了人們的關注。5吸附法主要包括物理吸附法和化學吸附法等兩種方法。1-3-1. 物理吸附法物理吸附法主要包括活性炭吸附法、沸石分子篩法等方法。（1）. 活性炭吸附活性炭是一種最常見的黑色大比表面孔性吸附劑，其主要成分為無

5、定型碳，還有少量的氫、氧、氮、硫及灰分。不同的制備工藝和活化方法制得的活性炭的理化性質和表面化學性質都會有差異。決定活性炭吸附能力大小的主要是比表面大小、孔結構特點、表面性質和吸附質的吸附。國麗榮等1研究了用活性炭纖維吸附俘獲二氧化碳，發現了活性碳纖維復合材料分子篩具有很多引人注目的特性，如高微孔體積和較大的高比表面積，從而使得它比沸石和傳統的顆粒活性碳具有更好的吸附能力。具有降低捕獲成本的潛力，（2）. 沸石分子篩沸石分子篩是天然或人工合成的含堿金屬和堿土金屬氧化物的結晶硅鋁酸鹽。它有嚴格的結構和孔隙，孔隙大小因結構差異而略有變化，從而可達到對不同分子大小物質的分離。這類吸附劑常用于氣體分離

6、和凈化如空氣制氮、CO2的分離與純化等，它的吸附能力亦隨著溫度的升高而降低。在溫度為O、壓力為10173 Ida時，吸附C02的量為382 mmolg，溫度升高到175時，吸附量只有0時的23。目前研究了用ASRT5A分子篩吸附除去太空艙中的CO2。物理吸附只有在低溫下才比較顯著，如果可逆的改變條件，吸附平衡發生變化，降低分壓或升高溫度就容易脫附。由于煙道氣的高溫環境和CO2的分壓較低，因而此類吸附劑并不適用6。1-3-2. 化學吸附法本文所述的幾種吸附煙道氣CO2的方法中，化學吸附法最常用。高溫CO2化學吸收劑主要有: 氨水吸收劑、鋰基吸收劑( Li2ZrO3、Li4SiO4、Li2CuO2

7、等) 、鈣基吸收劑( CaO 等) 、金屬氧化物吸收劑( ZnO、CuO、MnO、PbO、Li2O 等)等。本文簡單介紹氨水吸收劑法、鋰吸收劑法、鈣吸收劑法等幾種常見得分化學吸附方法。（1）. 氨水吸收劑法氨氣可以和CO2發生化學吸收反應，只是在煙氣中含有大量的CO2，所以需要高濃度的氨氣才能達到脫除CO2的目的，而氨氣的爆炸極限是15一28，如設計不當很容易引起爆炸，因此工業流程上不直接采用氨氣脫除C02。采用噴氨技術除去CO2，產物為碳酸氫銨6。當溫度到60以上時碳酸氫銨會逐漸分解并釋放除CO2和NH3。銨根離子是可被植物吸收的一種氮肥，它可以促進植物生長。而土壤中的碳酸根離子可以與土壤中

8、堿土金屬離子化合成穩定的碳酸鹽，如CaCO3，和MgCO3。這樣C02就會被永久的保留在土壤中，即使部分碳酸氫銨重新分解，釋放的CO2也有利于植物的光合作用7。中國研究者曾經對噴NH3，吸收CO2：溫室氣體的機理做過深入研究8-9,合理條件應為：28左右，1大氣壓，17 min左右的反應時間，根據實際需要調整氨水濃度的配比，使用17一27的氨水即可以達到80一95以上的脫除率，反應比較充分。（2）. 鈣基吸附劑法鈣基吸收劑是一種理想的CO2高溫吸收劑。該方法是將鈣基吸收劑在鍛燒爐內熱解成CaO，同時產生的CO2被回收，CaO 進入到碳酸化反應器捕捉化石能源利用過程中產生的CO2，形成CaCO3

9、后再進入到鍛燒爐內熱解釋放出CO2，反應循環進行，同時補充新鮮吸收劑。它的循環吸收反應方程式如下:CaO + CO2 CaCO3 ；CaCO3 CaO + CO2CaO 作為吸收劑，在CO2體積分數為20% 的氣氛下，當反應溫度為550 700 時，CaO 能有效地吸收CO2; 當溫度為800 時，生成的CaCO3開始分解， 870 時分解速率最大， 700 750 為其最佳吸附溫度范圍。它的理論吸收量可達78.6%。CaO 對CO2吸收容量比較高，而它的制備成本卻比較低，同時它的使用壽命較長并具有良好的抗磨性，因此CaO 成為優選的CO2吸收劑。但以CaO 作為高溫CO2脫除劑也存在缺點。例

10、如，當CaO 顆粒與CO2發生反應時會在CaO 顆粒表面形成CaCO3產物層，它會阻礙CO2分子進一步擴到CaO 顆粒內部，從而影響了CaO 與CO2的反應，導致轉化率下降，并且當煅燒溫度超過900 ，生成的顆粒容易燒結，從而使CaO 的反應能力下降，降低了對CO2的吸收能力。因此，很多研究者對改進鈣基吸收劑的缺點進行著廣泛而深入的研究。8（3）. 鋰基吸附劑法通過對鐵酸鋰( LiFeO2) 、鎳酸鋰( LiNiO2) 、鈦酸鋰( Li4TiO4) 、鋯酸鋰( Li2ZrO3) 、鍺酸鋰( Li4GeO4) 和硅酸鋰( Li4SiO4) 等鋰基吸收劑進行大量對比研究發現，Li4TiO4和Li4

11、GeO4雖然在高溫下也能吸收CO2，但不論是吸收量還是吸收速率均低于Li4SiO4。在高溫條件下，鋯酸鋰和硅酸鋰對CO2的吸附-脫附性能良好，因此引起了許多學者的關注和重視9。王銀杰等10-11在鋯酸鋰和硅酸鋰對CO2的吸附-脫附性研究中頗有進展，具體研究范圍為吸附劑制備方法、金屬離子參雜時對吸附劑吸附性的影響等。 3. 結語全球對CO2減排的要求日益迫切，對CO2分離技術提出挑戰，要求開發更多適合在模擬煙道氣環境下CO2高溫吸附的化學吸附劑，合成多次吸附再生循環使用的吸附劑；與此同時，解析CO2在不同吸附劑上的吸附機理，尋找最佳的方法來改性吸附劑以提高CO2的吸附量，研究CO2在吸附劑上的吸

12、附和解吸動力學，實現最優工業化工藝條件；并發展集中多種優點的耦合分離技術以提高分離性能等。由此可見，高效吸附、無污染、低成本且可以大規模生產的CO2高溫吸附劑是未來高溫CO2吸收劑的發展方向，從而可以為節能減排、充分利用CO2資源、走可持續發展道路做出貢獻。【參考文獻】1 國麗榮，譚羽非. 活性碳纖維吸附捕獲煙氣中CO2分析. 低溫建筑技術,2012,1,102.2 費維揚，艾寧，陳健. J. 化工進展，2005，24（1）：13.3 李 莉，袁文輝，韋朝海. 二氧化碳的高溫吸附劑及其吸附過程.2006,25(6).4 李天成，馮 霞，李鑫鋼. 二氧化碳處理技術現狀及其發展趨勢.化學工業與工程

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