关于变压吸附CO2气体的研究

1关于变压吸附 CO2 气体的研究Zan Liu and William H. Green*化学工程学系，麻省理工学院，77 马萨诸塞大道， 66-352 室，坎布里奇，马萨诸塞州，美国摘要：使用初湿含浸法制备了一种含有氧化镁的用于温室气体 CO2 的新型吸附剂。使用特制的高压微量天平系统和热重分析仪得到了可逆吸附等温线,循环稳定,吸附速率。实验数据表明在 180240C 的温度范围至少 84 个吸附周期内,该吸附剂具有相当大的可再生的吸附容量，较低的吸附热和稳定的工作能力。在此温度范围内新型吸附剂的性能优于合成水滑石和 K2CO3 改性水滑石。因此该吸附剂在吸附 CO2 方面有很好的应用前景。1. 引言：CO2 气体过量排放引起全球气候变暖的观点已经被越来越多的人接受1。在所有的能源中，化石燃料产生的 CO2 排放量是最大的 2。与此同时，煤是最廉价易得的燃料 3。因此，在可预见的未来，煤依然是主要的能源，在发展中国家更是如此。面对这种困境，新技术应该有更高的能源利用率和更少的 CO2 排放量。目前，伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统是实现这一目标最可行的方法 4。几种可用的都基于一个相同的前提。煤在高温高压下与蒸汽和空气分离单元提供的氧一起气化 5。产生的气体在一个气液反应器中变为 H2/CO2 混合气体。混合气体随后冷却，脱除硫，悬浮粒子和 CO2 ，然后再一个气体涡轮发动机中燃烧完成能量转换，废气中的一部分热能被一个热能再利用系统用于驱动一个蒸汽涡轮，产生额外的能量。与传统的煤粉加工相比，整体煤气化联合循环发电系统有两个重要的特征 6。首先，因为联合循环，整体煤气化联合循环发电系统可以得到跟高的能量效率。其次，反应器中的气流有更高的压力，有利于硫，汞，氮氧化合物，微粒物质和 CO2 ，使得尾气处理跟便宜。目前，最先进的 CO2 捕获过程包括用物理或化学溶剂洗涤气流，比如单乙醇胺，低温甲醇洗，赛列克索法。这些吸收过程都要走温度较低的环境下进行。所以来自液气转换器的气流必须充分冷却，产生大量的能耗 6,7。与传统 CO2 补集方法相比，新技术消耗更少的能量，产生更少的操作费用，因而更有前景。先前的研究 8,9 已经对 H2 渗透膜 10,11，CO 2 渗透膜 12，变压吸附 13 等高温度下的 CO2 分离过程，寻找提高吸附效率的方法。而我们最近2的研究 14 对之前的工作进行了扩展，比较了用于伴有碳捕获分离的整体煤气化联合循环发电系统模型。结构表面，对于温度较高的气体（200300 ） ，变压吸附比其他方法更有效。广泛用于石油和化工行业的变压吸附 15，有很多显著的优势，比如较低的能量要求，较低的费用，易于使用。尽管有这些优势，只有少量与 200300 下可再生吸附 CO2 的文章发表。为了在要求的温度范围内适用，吸附剂需要维持可再生能力，较快的吸附速度，较低的吸附热。已经工业化的吸附剂例如活性炭，沸石和氧化铝等在高于 150 便丧失了他们对 CO2 的吸附能力。超级活性炭 16 在 220 还具有对 CO2 的吸附能力，但它对 CO2/N2 的选择性很低。我们同样对通过掺杂阳离子获得的碱性沸石 17,18 进行了测试，他对极性气体比如SO2 和水蒸气的吸附性能较差。图 1 高压微平衡图文献还研究了一些无机材料在较高温度条件下对碳的捕集能力，比如氧化钙 19,20，锆酸锂 21，硅酸锂 22,23，钠基吸附剂 24，滑石类复合材料 25,26，双盐吸附剂 27 等。氧化钙在 700下仍能保持较高的吸附容量，但却有着糟糕的再生能力，较低的吸附速率，和极高的热量要求。锂基材料在 450550仍然能够捕集 CO2 ，但是他们的吸附速率也较低。钠基材料在 200400范围内展现了良好的吸附性能，但该材料在 700下才能再生，所以并不适合变压吸附。两性盐吸附剂在高温下有较高的吸附容量，但再生很困难 28。在这些无机材料中，HTls 是最有前景的 CO2 捕集剂，有大量关于这方面的研究。然而， HTls 的工作温度没无法满足我们的要求 29,30。最近，美国国家能源科技实验室研究了一种氢氧化镁基吸附剂 31，该吸附剂在 200300有较大的吸附容积，可以在3375再生。然而，通过热处理进行再生依然无法满足我们的需求。此外，该吸附剂的穿透曲线显示其吸附速率较低，这可能与该吸附剂较低的比表面积有关。我们的目标是找到一种在较高温度下仍然有很好再生能力，较低吸附热，较高吸附速率的吸附剂。该吸附剂在最初的润湿浸渍后，表现出了较高的比表面积和适宜的孔径分布，有利于 CO2 的迅速吸附。我们实验室构建了一个高压微平衡系统去表针吸附剂的性能。通过对其吸附容积，循环再生能力，吸附速率的细致研究，并与 HTls 做比较，我们证明该吸附剂在变压吸附温度较高的CO2 方面很有前景。2. 实验部分2.1 吸附剂的合成吸附剂通过润湿浸渍法制得，该方法被广泛用于制备多相催化剂。为了获得最佳性能，不同的镁前驱体（硝酸盐，柠檬酸盐，草酸盐，醋酸盐）被测试和比较。硝酸盐最终被选为前驱体。对几个关键的制备条件，比如前驱体浓度，支撑材料，煅烧温度，煅烧时间我们同样进行了研究，已获得最佳制备过程。最终的浸渍过程如下：活性炭在 80下干燥一夜。接着，与室温下逐滴加入3.8M 的 Mg(NO3)2 实现 MgO 的负载。将所制得的材料在敞开体系中干燥 12h，然后在炉子中与 100加热 12h。该材料最后与马沸炉中在 500下在纯氮气煅烧 3h。2.2 产物的表征由镁前驱体制备的吸附剂通过一个热重分析仪进行热重分析。风干后的材料置于热重分析系统的铂片上。以 4/min 的速率在 N2 氛围下由 25 升温到750，N 2 通气速率为 90sccm。我们使用一台 JEOL JSM 6060 扫描电子显微镜研究其表面形态和微观结构。吸附剂的表面积和孔径分布在 77K 用一台粉体 ASAP 2020 仪器通过 N2 吸附解吸附等温线表征。煅烧后的材料首先在 200真空脱气。然后转移到液氮内进行吸附解吸附分析。4我们使用 BET 模型计算其表面积和平均孔径。孔径分布和孔容在 170 到300nm,通过 BJH 模型得到。2.3 CO2 吸附吸附剂的吸附容积和循环稳定性通过一个高压微平衡和热重分析仪测量。测量方法如下：10-20mg 吸附剂置于铂样品盘。使用一个定制的加热器加热到实验所需温度，保持温度稳定在0.2。首先，以 100sccm 的速率通入纯氦气。当热重信号稳定后，记下初始质量 m1。然后，以 300sccm 的速率通入纯CO2 至左测试箱，右测试箱仍然通入纯 He。反应箱的压力通过一个反压力控制器控制。当达到所需压力后，称重记为 m2。质量变化记为 mmeasured 。需要注意的是这里的质量变化不是实际的吸附量，还需要进行修正，我们在 2.4 部分讨论。等温线用我们之前提到的方法测量，即随着 CO2 的压力由 3atm 上升到16atm，记录质量的变化。吸附能力有两个不同的形式：可再生吸附和不可再生吸附。为了区分这两种不同的形式，我们使用了如下的方法：首先在一个特定温度下测量出包括可再生吸附和不可再生吸附的总等温线。然后，将整个反应器在真空下与同样温度保持 24h.再次测量等温线。第二次测量得到为可再生吸附的等温线。用总的吸附等温线减去可再生等温线得到不可再生等温线。为了测量吸附再生的循环稳定性，定量的吸附剂置于测试器的铂碟上，于200、13atm 持续吸附 CO230min。保持温度不变，循环吸附再生 84 次。吸附容量同样通过热重分析测量。一个 10-20mg 的样品被置于铂碟上。在N2 气氛下，用内置加热器加热到所需温度。当温度压力稳定后，一个内置的自动控制开关将 N2 换为 CO2。CO 2 的压力始终保持在 1atm.2.4 浮力校正正如我们在先前的部分所提到，由于不可忽视的浮力的影响 mmeasured并不是实际吸附量。为了获得实际的吸附量，我们还需获得如下两个量：5第二个参数，mbuoyancy-pan 是浮力对于高压下样品盘和平衡盘的不平衡的贡献。为了修正这个效应,我们做了一个控制实验，即如上一小节所述,使用没有吸附剂的空样品盘进行重复试验。得到了在不同压力的一系列的重量校正数据。第三参数,mbuoyancy -sample,来自样品的浮力的贡献,可以 CO2 Vexcluded计算。排除体积,Vexcluded,从由吸附剂的真实密度计算。真实密度的测量在 2.5节描述。2.5 吸附剂的氦气密度吸着剂的氦密度通过高压微量天平测量，图 1 所示。最初,一个空盘放置在反应室。氦气被引入整个反应室,温度维持在 200C。在压力 2、14,和 24 atm 的重量记录为数据 M1。然后,排空反应室，给定干吸着剂被加载到盘内。在同样的压力重复试验过程得到数据 M2。质量的变化 m与压力和氦气密度有关，通过如下方程计算 323 结果与讨论3.1 材料表征该材料一个典型的热重曲线如图 2 所示。该材料吸附分为三个过程。第一个过程为 80 到 120C 有一个宽峰表明吸附剂水分被脱除。大多数水分在达到180就已经被脱除。第二个过程为 180 到 450C 显示了强烈的吸热峰这与硝6酸镁分解为氧化镁相对应。第三个过程( 450C)没有显著峰值, 微小的重量变化可能与碳质量减轻有关。最终选定煅烧温度为 500C，因为该温度下不会出现烧结而硝酸镁能完全分解。图 2 吸附剂的热重分析图氦气密度。真实密度在测量高温下吸附容积时很有用。其详细的测量过程如前所述。最近研究 33 表明,真实密度取决于测试温度。我们选择较高温度(200C)确保没有氦被吸附。基于等式 2 和 3,吸附剂的氦气密度的确定为 1.25 克/厘米 3 ,略小于活性炭报道值(1.52.2 g / 厘米 3)。这可能是由于毛孔渗后关闭,这使得某些内部毛孔不能氦气接触,从而导致较小的真密度。另一点值得注意的是,氦分子比试验气体 二氧化碳小。一些孔氦分子能进入而二氧化碳分子无法进入,从而导致对排除体积的低估。这将导致对吸着剂容量的估计略显保守。BET 测试：材料的表面积和孔容通过 77K 下吸附剂及其支撑材料的氮气吸附解吸附等温线得到。两种材料都表现出典型的 IV 等温线 34，这种类型的等温线在介孔的工业吸附剂中是非常常见的。滞回线的分析表明,样本进行初期的湿润后,高相对压力并没有对吸附造成限制,这是 H3 特征滞回线,对应层状的粒子聚集形成狭缝形状的孔 34 。一般来说,通过 BET 测量得到多孔结构模型,在浸渍和后续热处理仍然能够维持，尽管会出现表面积的减小。7吸附剂和支撑材料的形态学特征见表 1。正如我们所预料的，样品的热处理减小了他们的比表面积和介孔容积。然而，平均孔径并没有明显的改变。这确保孔隙大小不会限制随后对二氧化碳吸附的研究。3.2 吸附等温线图 3 吸附剂和支撑材料在 77K 的 N2 吸附解吸附试验8图3 吸附剂和支撑材料的孔径分布首先获得包含可逆吸附和不可逆吸附的总的等温线，然后将样品转移到真空中，再次测量得到 CO2的可逆吸附等温线。不可逆吸附由不同压力下的总吸附量与可逆吸附量 的差值得到。不同温度下的可逆吸附和不可逆吸附能力如表2所示。表 1 吸附剂和支撑材料的形态学数据表 2 在不同的温度和压力的吸附能力9考虑到温度的影响，很明显随着温度的上升吸附能力下降，因为高温使吸附平衡发生了变化。可逆吸附能力与 CO2 压力有很大关系，这种趋势可以被一个经验等温线模型反映。不可逆吸附在低压下仍然有较大的值，压力的减小也不能减小不可逆吸附。不可逆吸附在低压下甚至达到了饱和，表明不可逆吸附是由很强的化学反应引起的，这与可逆吸附的反应模型有很大差异。最近关于氧化镁的研究 35 试着用不同的吸附模型来研究不可逆吸附。该研究利用热重分析和 FTIR，表明当吸附剂被暴露于 CO2 中时氧化物表面会形成出不同的表面类型。碳酸氢盐通过表面氢键官能团和 CO2 之间的反应形成。然而，形成于不同氧原子表面的碳酸盐表现出了不同的协调度，出现了单齿，二齿，螯合桥接碳酸盐。Leon 等人的 FTIR 研究表明桥接双齿碳酸盐在 50消失了，螯合双齿碳酸盐和碳酸氢盐在 100 到 200消失了。然而，一部分单齿碳酸盐在 400仍能存在。这表明最强的点符合单齿模型，主要是不可逆吸附。然而，该模型对主要由较弱的点控制的不可逆吸附是不适用的。只有可逆吸附对表压吸附性能有帮助。在高压力微平衡下测得四个温度的可逆吸附等温线，并对其浮力影响的校正。随温度而变的吸附经验模型一个典型的等温线被用来拟合等温线数据，其中 a= 5.013103mmol/(gbar),b= 1.753103K,c= 1.268103bar1, and d= 1.802103K。如图 5 所示，该模型能描述温度变化的影响。参数 b 和参数 d 的微小差异，表明没有相邻的被吸附分子发生交联作用。假设一个氧化镁晶格捕获一个 CO2 分子，吸附剂表明已经完全被氧化镁覆盖，则最大单层容量大约为 5 mmol/g，基于等式其中，a 为氧化镁的晶格常数，SBET 为吸附剂的表面积，NA 为阿伏加德罗氏数。通过吸附模型（公式 4） ，计算得到最大容积为 a/c = 3.95 mmol/g。这两个值如此接近，表明主要是表面吸附，而不是体积环境和多层吸附，大多数但并不是所有的氧化镁表面可逆吸附做出了贡献。在文献 36-38 中，吸附热被严格的推倒10一旦