捕集高湿烟气中CO2的变压吸附技术

变压吸附法在捕集烟气中的CO₂这一领域中显示出强大的优越性,但实际电厂烟气含有少量的水蒸气,这对利用常规吸附剂捕集CO₂造成很大挑战。为解决上述瓶颈问题,改进变压吸附工艺以及开发对湿度不敏感、高效的吸附剂成为最主要的途径。本文详细介绍了两种常用的变压吸附工艺,即多层变压吸附及微波辅助真空再生法分离高湿烟气的研究进展,综述了近年来研发的适于捕集高湿烟气的高效吸附剂,系统阐述了各种吸附剂的物理化学特性及其吸附CO₂、H₂O的机制,并在此基础上讨论了变压吸附技术捕集高湿烟气时存在的问题,提出了研究展望。相信随着人们对变压吸附工艺的改进以及对新型高效吸附剂的进一步研发,必将显著降低捕集高湿烟气中CO₂的成本,这将对燃煤电厂等高湿CO₂排放源的温室气体减排具有重要意义。     

烟煤焦在H2O和CO2气氛下的结构演变与气化反应性关联

本研究以烟煤在1000 ℃热解所制得的焦样为研究对象,考察了其在H₂O、CO₂及两者混合气氛下的结构演变,以及气化反应性的影响。为了探究焦样在气化过程中的结构演变,利用氮吸附、SEM和拉曼光谱等表征手段分析不同碳转化率下的焦样结构。结果表明,H₂O气氛对焦样结构的演变明显不同于CO₂气氛,揭示了焦样在两种气氛下的反应路径不同。因结构演变的不同,随碳转化率的增加,焦样在两种气氛下表现出不同的气化反应性能。在CO₂气氛下,焦样的气化反应速率随碳转化率的增加而逐渐降低,与H₂O气氛存在下变化趋势相反。在H₂O和CO₂共气化条件下,煤焦在H₂O和CO₂混合气氛下的反应速率高于单气氛下的反应速率的计算值,表现出一定的协同作用。这是因为焦样与H₂O反应能够产生较大的比表面积,为焦样与CO₂反应提供更多的反应场所,促进了焦样与CO₂的反应。     

Mg-MOF-74对CO2/H2O的吸附性能

以Mg(NO₃)₂·6H₂O和2,5-二羟基对苯二甲酸为原料, 采用溶剂热法制备了金属有机骨架材料Mg-MOF-74. 利用X射线衍射(XRD)、 红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段对其结构、 形貌和性能进行了分析, 并利用自制穿透实验装置研究了产物吸附CO₂/H₂O的性能. 结果表明: 合成的样品纯度高, 结构完整, 形貌规则有序, 具有较高的CO₂吸附量. 双组分CO₂/H₂O穿透实验结果证实, 在水蒸气存在情况下, 与沸石13X相比, Mg-MOF-74仍具有较高的CO₂吸附能力, 可用于分离高湿烟道气中的CO₂.     

Li4SiO4对CO2捕集性能的实验研究

以Li₂CO₃和SiO₂为原料,通过高温固相合成法合成了CO₂捕集剂Li₄SiO₄,并用X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对所合成的材料在CO₂捕集前后的晶相变化以及微观结构进行了表征。通过热重分析仪(TGA)研究了Li₄SiO₄材料吸附CO₂的性能,并在小型热态实验台架上进行了CO₂热态捕集实验。实验结果表明,Li₄SiO₄对CO₂的捕集性能受Li₄SiO₄合成温度、CO₂的吸附温度以及气体中CO₂含量的影响,在700 ℃下制得的Li₄SiO₄具有最佳的CO₂吸附特性,最大吸附增量可达34%。Li₄SiO₄的吸附能力随着CO₂含量和吸附时间的增加而增加,当CO₂浓度分别为75%、67%、60%时,700 ℃ Li₄SiO₄对CO₂最大吸附量分别可达6.68 mmol/g、3.37 mmol/g、2.02 mmol/g (理论量8.33 mmol/g)。     

O2/CO2气氛下CO2和H2O气化反应对煤及煤焦燃烧特性的影响

利用热天平对比研究了大同煤及煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧行为,探讨CO₂和H₂O气化反应对其富氧燃烧特性的影响。结果表明,在5%氧气浓度下,煤粉在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧速率按顺序依次降低。氧气浓度降低到2%,由于CO₂和H₂O气化反应的作用,煤粉在高温区的整体反应速率按顺序依次增大。当氧气浓度为5%时,煤焦在O₂/CO₂中的燃烧速率要低于O₂/N₂中的燃烧速率,但燃烧反应推迟后气化反应的参与使得煤焦在O₂/H₂O/CO₂中的整体反应速率显著升高。当氧气浓度降低到2%后,随着温度的升高,在CO₂气化反应的作用下,煤焦在O₂/CO₂中的整体反应速率逐渐高于O₂/N₂中的燃烧速率。在O₂/H₂O/CO₂中,由于H₂O在共气化中起主要作用,煤焦在O₂/H₂O/CO₂高温区的整体反应速率进一步升高。动力学分析表明,在5%氧浓度时,煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的表观活化能依次升高。随着氧气浓度的降低,在不同反应气氛中的表观活化能均有所下降。     

离子液体捕集CO2

CO₂是导致温室效应的最主要成分,因此碳捕集技术的研究受到学术界和产业界的高度重视。离子液体具有不挥发、不燃烧、热稳定性好、溶解能力强、结构和性质可调节并可循环使用等特性,在CO₂的吸收/分离领域展现了广阔的应用前景。本文系统地综述了近年来常规离子液体、功能化离子液体、支撑离子液体膜、聚合离子液体以及离子液体与分子溶剂的混合物在捕集CO₂方面的研究进展;讨论了离子液体的阳离子结构、阴离子类型、烷基链长度、阴/阳离子的氟化程度和功能化、离子液体的负载作用和聚合效应以及体系的温度和压力对CO₂选择性捕集性能的影响;分析了可能的捕集机理以及各种捕集方法的优点和缺点;提出了目前需要进一步研究的若干重要问题,并对其发展前景进行了展望。     

金属有机框架材料的制备及在吸附分离CO2中的应用

金属有机框架（MOFs）材料是当今的研究热点之一,是一类颇有潜力成为适用于CO₂吸附和分离的重要材料。本文从MOFs的发展及其所具有的特点、MOFs用于CO₂的吸附与分离所取得的突破性进展以及MOFs的传统合成及绿色制备方法三个方面展开论述。主要论述了MOFs适用于CO₂吸附的原理,及其相对于传统的CO₂吸附材料所具有的特点和优势,亦阐述了MOFs修饰与调变的方法。列出了MOFs用于单组分CO₂吸附及CO₂/CH₄、CO₂/N₂吸附分离的结果。同时,针对传统MOFs制备方法不适宜大规模CO₂捕集材料的生产,特别论述了机械化学合成法和新兴的潮湿矿物风化法,其均具有绿色化、无溶剂、低能耗和简单等特点,是一类较有研究价值和应用潜力的技术。随着温室效应和不可再生石化燃料的消耗等环境和能源问题的日趋严峻,研究及开发适用于CO₂捕集与封存技术的MOFs新材料迫在眉睫,且任重而道远。     

CO2/C3H6O在金属氧化物耦合吡咯氮生物炭表面的共/竞吸附机理研究

本研究采用密度泛函理论,通过比较吸附量、吸附能以及态密度和电荷差分密度的分析,探究了不同金属氧化物耦合吡咯氮生物炭(CN5@MO_x,MO_x=ZnO、CaO、Na₂O)表面CO₂与C₃H₆O(CO₂&C₃H₆O)的吸附机理。首先从CO₂/C₃H₆O单组分方面计算了其在CN5@MO_x表面吸附量和吸附能,计算结果表明,在333 K、100 kPa时CN5@Na₂O表面对CO₂/C₃H₆O单组分吸附量分别为3.65、15.34 mmol/g,吸附能分别为-145.86、-132.47 kJ/mol,均高于CO₂/C₃H₆O单组分在CN5@CaO及CN5@...     

碳化多孔有机骨架制备氮掺杂多孔碳及其气体吸附研究

通过简单的一步碳化方法, 以含氮的多孔有机骨架JUC-Z2为碳前驱物制备出氮掺杂多孔碳材料. 与原始JUC-Z2材料相比, 制备的多孔碳材料显示出明显提高的气体吸附量和增强的吸附焓. 其中JUC-Z2-900的CO₂吸附量高达113 cm³·g^-1, H₂吸附量也达到246 cm³·g^-1, 超过了大部分报道的多孔材料. 尤其是JUC-Z2-900的CH₄吸附量在273 K, 1 bar下高达60 cm³·g^-1, 据我们所知, 这一值为目前报道材料的最高值. 除此之外, 样品还显示出选择性吸附CO₂的能力, 273 K下, JUC-Z2-900的CO₂/N₂的选择性高达10, CO₂/H₂的选择性也高达66. 另外, 样品具有很高的热稳定性, 有望应用在碳捕获和清洁能源储存等领域.     

离子交换树脂固态胺复合材料的制备、表征及CO2吸附

以离子交换树脂（D001）为载体,四乙烯五胺（TEPA）为改性剂,采用三种不同的方法制备了一系列固态胺吸附剂。采用N₂吸附-脱附、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）等手段对吸附剂进行表征。在固定床反应器中考察了TEPA负载量、吸附温度、进气流量和CO₂分压等因素对CO₂吸附性能的影响。结果表明,配位法制得的固态胺吸附剂分散性和稳定性较好,且在TEPA负载量为40%,吸附温度为65℃,进气流量为40 mL/min时有最大CO₂吸附量达4 mmol/g。经过10次吸附-脱附循环实验后,CO₂吸附量下降3.98%。热力学、动力学研究结果表明,CO₂吸附是物理吸附和化学吸附的结果。     

色谱法同时测定羰化反应尾气中的O2、CO、CO2

提出用特制活性炭填充柱分离,热导检测器检测,以外标法定量,同时测定O2、CO、CO2。探讨了该方法的校正因子、各组分的线性相关性及微量氧气的分离和定量等。在选定的色谱条件下,O2与CO的分离度达1．7,各组分的相对标准偏差＜O．18％,绝对误差＜0．04％。     

Co-MCM-41催化剂上临CO2-乙烷脱氢反应的研究

合成了不同Co掺杂量的Co-MCM-41分子筛.用XRD,FTIR和TG-DTA等技术对所制样品进行表征.在常压连续流动固定床反应器上考察了它们对临CO₂-乙烷脱氢制乙烯反应的性能,结果表明,3%Co-MCM-41在973K可使乙烷的转化率达到39.54%,乙烯的选择性达到98.59%,收率达到38.98%.Co的掺杂量和反应温度等条件对该反应均有一定影响.Co-MCM-41对乙烷催化脱氢制乙烯同样也有很高的活性.引入CO₂可消除积炭对催化剂活性的影响,更有利于催化反应的进行.     

Effect of CO2 adsorbents on the Ni-based dual-function materials for CO2 capturing and in situ methanation

The present work studied the effect of different carbon dioxide (CO₂) adsorbents on Ni-based dual-function materials (DFMs) for the development of carbon capture and on-site utilization in a reactor at isothermal condition. The DFMs containing Ni functioning as a methanation catalyst with various CO₂ adsorbents (i.e., CaO, MgO, K₂CO₃, or Na₂CO₃) were prepared on γ-Al₂O₃ through sequential impregnation. The result indicated that Ni-Na₂CO₃/γ-Al₂O₃ had the highest methanation capacity (i.e., 0.1783 mmol/g) and efficiency (i.e., 71.09%) in the CO₂ adsorption–methanation test. The CO₂ uptake and the subsequent methanation capacity of the Ni-Na₂CO₃/γ-Al₂O₃ increased to more than 24 times and more than 17 times, respectively, compared to Ni/γ-Al₂O₃. The high methanation capacity was correlated to its highest amount of weak basic sites, substantial CO₂ capture capacity and capture/release efficiency, and reactivity to H₂ at a lower temperature, supported by CO₂-TPD, TGA analyses for adsorption or adsorption–desorption at the isothermal condition, and H₂-TPRea, respectively. A continuous cyclic CO₂ adsorption–methanation was performed by using the Ni-Na₂CO₃/γ-Al₂O₃ and Ni-CaO/γ-Al₂O₃, showing that the CO₂ adsorption capacity was stabilized from third cycle onward, whereas the methanation capacity was stabilized at all cycles, indicating the high stability of the DFMs for both CO₂ adsorption and subsequent methanation. This work demonstrated successful synthesis of the Ni-based, low-cost, and stable DFMs with the ability to produce methane via the direct capture of CO₂.     

Aktivierung von CO2 an Übergangsmetallzentren: Zum Ablauf der CO2-Reduktion an Nickel(0)-Fragmenten

Activation of CO₂ at Transition Metal Centres: The Route of the CO₂ Reduction at Nikel(0) Moieties A competing reaction in the catalytic cyclooligomerization of hex-3-yne and CO₂ at the (TMED)Ni(0)-fragment (TMED = N,N,N′,N′-tetramethylethylendiamine) is the formation of carbon monoxide and (TMED)Ni(CO₃). So it is possible to explain the generation of II (TMED)Ni(diethylmalicacidanhydride) and III (a nickel trimer with two (TMED)Ni(CO₃) units). Both complexes are characterized by X-ray analysis. The reduction of CO₂ to CO most likely proceeds via an intermediate in which two molecules of carbon dioxide are coupled head-to-tail to form a metallacycle. An ab initio scf geometry optimization supports the existence of such an intermediate.     

CO2/H2在不同形态ZrO2上的吸附行为

利用傅立叶变换红外光谱技术(FT-IR)考察了CO2和CO2＋H2在不同形态氧化锆上的吸附和转化行为，结果表明,氧化锆的形态影响CO2的吸附形式和表面物种的生成.无定型氧化锆上主要生成碳酸氢盐和离子碳酸盐，单斜氧化锆上还出现了双齿碳酸盐，而在四方氧化锆上出现最强的线式吸附CO2，并生成聚碳酸盐.在氢气存在的条件下，单斜氧化锆上生成甲烷而在四方氧化锆上则生成甲酸盐.     

CO2在TiO2-CuO修饰Cu电极上的光电化学还原

制备了TiO2-CuO修饰Cu电极,并对CO2在该复合光电电极上的还原行为进行了研究. 光电化学测试表明,TiO2有助于电极的光电转换,能注入更多的电子促进CO2还原. TiO2-CuO/Cu复合电极在光照条件下对CO2具有很好的光电催化还原活性,使还原电位正移约100 mV,同时有效地抑制了水的光电分解. Mott-Schottky曲线测定表明,TiO2-CuO/Cu复合电极具有n型半导体性质,其平带电位随光照时间的增加而负移. 光谱及色质谱测试证明,CO2在TiO2-CuO/Cu复合电极上的光电化学还原产物为甲酸和甲醛,还有少量乙烯和甲烷. 在-1.2 V条件下光照 3 h,CO2的转化率可达32%. 基于实验结果对CO2光电还原机理进行了推断.     

Ni2P纳米片用于光催化二氧化碳还原

Artificial photosynthesis is an ideal method for solar-to-chemical energy conversion, wherein solar energy is stored in the form of chemical bonds of solar fuels. In particular, the photocatalytic reduction of CO₂ has attracted considerable attention due to its dual benefits of fossil fuel production and CO₂ pollution reduction. However, CO₂ is a comparatively stable molecule and its photoreduction is thermodynamically and kinetically challenging. Thus, the photocatalytic efficiency of CO₂ reduction is far below the level of industrial applications. Therefore, development of low-cost cocatalysts is crucial for significantly decreasing the activation energy of CO₂ to achieving efficient photocatalytic CO₂ reduction. Herein, we have reported the use of a Ni₂P material that can serve as a robust cocatalyst by cooperating with a photosensitizer for the photoconversion of CO₂. An effective strategy for engineering Ni₂P in an ultrathin layered structure has been proposed to improve the CO₂ adsorption capability and decrease the CO₂ activation energy, resulting in efficient CO₂ reduction. A series of physicochemical characterizations including X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and atomic force microscopy (AFM) were used to demonstrate the successful preparation of ultrathin Ni₂P nanosheets. The XRD and XPS results confirm the successful synthesis of Ni₂P from Ni(OH)₂ by a low temperature phosphidation process. According to the TEM images, the prepared Ni₂P nanosheets exhibit a 2D and near-transparent sheet-like structure, suggesting their ultrathin thickness. The AFM images further demonstrated this result and also showed that the height of the Ni₂P nanosheets is ca 1.5 nm. The photoluminescence (PL) spectroscopy results revealed that the Ni₂P material could efficiently promote the separation of the photogenerated electrons and holes in [Ru(bpy)₃]Cl₂·6H₂O. More importantly, the Ni₂P nanosheets could more efficiently promote the charge transfer and charge separation rate of [Ru(bpy)₃]Cl₂·6H₂O compared with the Ni₂P particles. In addition, the electrochemical experiments revealed that the Ni₂P nanosheets, with their high active surface area and charge conductivity, can provide more active centers for CO₂ conversion and accelerate the interfacial reaction dynamics. These results strongly suggest that the Ni₂P nanosheets are a promising material for photocatalytic CO₂ reduction, and can achieve a CO generation rate of 64.8 μmol·h^-1, which is 4.4 times higher than that of the Ni₂P particles. In addition, the XRD and XPS measurements of the used Ni₂P nanosheets after the six cycles of the photocatalytic CO₂ reduction reaction demonstrated their high stability. Overall, this study offers a new function for the 2D transition-metal phosphide catalysts in photocatalytic CO₂ reduction.     

复合催化剂上CO2加氢合成C2+烃类

介绍了由CO2＋H2合成C2^ 烃的几种复合催化剂体系的研究进展，比较和评价了复合催化剂体系的活性和选择性及对C2^ 烃类生成的影响。着重于复合催化剂体系对C4^ 烃的生成及产物分布的影响并简述反应机理。