CaO基吸附剂捕集CO2及其抗烧结改性研究进展

利用CaO基吸附剂直接从高温烟气中捕集CO2因成本低、吸附性能好等优点成为CCUS(碳捕集、利用与封存)的重要技术之一.但CaO基吸附剂在碳酸化/煅烧吸脱附循环过程中存在易烧结的问题,导致其吸附性能急剧下降.本研究针对CaO基吸附剂全面总结了其吸附CO2的动力学、热力学及烧结机理,并重点综述了世界各国研究者在CaO基吸...     

湿气源吸附碳捕集: CO2/H2O共吸附机制及应用

大型湿气源排放中普遍存在的水汽是制约吸附碳捕集规模化发展的重要挑战之一。H₂O的极性往往会导致吸附材料的CO₂捕集率降低甚至出现失效,也会造成捕集系统产生温降、压降等寄生损失,甚至形成设备腐蚀、吸附剂中毒等不利影响,最终额外能耗和成本大幅提高。为解决上述挑战,深入理解CO₂与H₂O共吸附过程的作用机制,据此开发成本合理、再生能耗低且对水气不敏感的高效CO₂吸附剂及吸附技术是实现湿气源下高效吸附碳捕集的重要途径。目前,由于分散在多个领域且各有侧重,关于H₂O对CO₂吸附影响的机制分析缺乏汇总与概括,难以形成相对统一的观点。本文针对CO₂与H₂O共吸附过程,从宏观与微观层面进行了详细综述。首先,基于共吸附机制的基础研究,依次介绍了竞争吸附、变湿吸附和呼吸效应领域的研究进展并进行了简要评价。其次,基于共吸附的应用研究,阐述了湿气源CO₂捕集技术的吸附剂研发与工艺改进两部分的现状及进展,也对不同湿气源下CO₂捕集水平进行了简要评价。最后,总结了目前研究中的不足之处并展望了未来的研究方向。本文将分散于各领域的CO₂与H₂O共吸附过程进行集中归纳、分析和对比,或可为湿气源碳捕集技术提供有效的指导。     

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。     

醇胺分子结构及其CO2捕集能力

研究了一乙醇胺及其衍生物的非环状醇胺的分子结构与其吸收捕集CO2性能之间的关系．通过实验测定了在313．15K和393．15K两个温度下,CO2分压从1kPa到700kPa条件下,CO2在不同醇胺水溶液中的溶解度,分析研究了羟基与烷基间的链长、取代烷基位置、氨基上烷基链数目及烷基羟基链数目、羟基位置和两个羟基的影响．结果表明,不同分子结构的醇胺水溶液对CO2的吸收能力有明显差别．根据CO2的捕集分离要求,选择合适的溶剂,可大幅度提高溶剂的CO2捕集能力．     

SO2对钙基CO2吸收剂循环煅烧/碳酸化反应的影响

在循环煅烧/碳酸化反应系统中,研究了SO₂对钙基吸收剂CaCO₃捕集CO₂的影响,获得了SO₂对钙基吸收剂碳酸化特性、煅烧特性以及循环稳定性的影响规律,并结合SEM分析结果,从循环煅烧/碳酸化反应角度,分析了可能存在的原因。结果表明,钙基吸收剂吸收CO₂的能力随着循环反应次数的增加逐渐发生衰减,在SO₂影响下,这种衰减会进一步加剧,且衰减程度随着SO₂浓度的增加而增大,经过十次循环后,碳酸化转化率分别为25.5%(0%SO₂)、16.9%(0.1%SO₂)和5.2%(0.2%SO₂)。造成这种衰减加剧的主要原因是反应产生较厚的硫酸化产物层,硫酸化产物层使颗粒表面孔隙发生堵塞,阻碍了CO₂在吸收剂内部的扩散,降低了碳酸化转化率。     

湿磨法制备纳米Li_4SiO_4材料用于高温捕集CO_2

采用不同硅源、锂源以湿磨法结合高温焙烧制备了纳米Li_4SiO_4材料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征了合成材料的结构和表面形貌,利用热重分析仪(TG)研究了Li_4SiO_4材料高温下的CO_2吸收性能和循环使用稳定性。结果表明,湿磨法制备的Li_4SiO_4材料在550℃、2.5×104Pa下,10min可达吸收平衡,平衡吸收量为27.9%(质量分数),经五次吸收-解吸后仍保持初始吸收性能,显示了良好的循环稳定性。将25%CO_2-25%N2-50%He混合气通过Li_4SiO_4材料床层,发现在550℃下,CO_2能被高效捕集,在相对湿度为10%的水汽存在下,Li_4SiO_4捕集CO_2的性能没有明显下降。     

钢铁工业CO2捕集技术分析

针对钢铁工业烟气成分复杂、排放量大且处理难的问题,分析各碳捕集技术特点、发展现状以及未来趋势。目前,吸收法是最成熟、最适合的碳捕集方法,在工业上已出现商业化应用。新型碳捕集技术在碳捕集方面有很大潜力,但大多都处于实验室规模的开发,未来这方面是一项巨大挑战。以膜接触器为代表的复合捕集技术破单一捕集技术瓶颈,已出现应用在燃煤工业上。未来在实际过程中,要根据钢铁各工序烟气特点及浓度差异选择不同的捕集方法并对钢铁工业碳捕集技术进行了展望。     

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。     

“双碳”相关实验开发——蛋壳源CaO的制备、表征及其碳捕集性能

碳捕集技术是实现“双碳”目标的重要途径。高温工业源CO₂的捕集更宜使用钙基吸收剂。本文立足“双碳”背景,将碳捕集前沿技术融入仪器分析实验课程,开发了蛋壳源CaO的制备、表征及其碳捕集性能的设计性综合实验。选择高钙废弃物鸡蛋壳为原料,采用醋酸处理得到醋酸钙,再经高温煅烧制备了具有较好碳捕集性能的CaO;利用EDTA配位滴定、扫描电子显微镜、X射线衍射、红外光谱、拉曼光谱和热重分析等多种分析手段,测试了CaO的纯度、形貌、结构及其对CO₂的捕集性能。本实验采用项目式教学方式,引导学生自行设计实验方案并进行实践和总结,不仅锻炼了学生综合运用专业知识解决实际问题的能力,而且培养了学生的科研素养和团队合作精神。     

CaO/MgO和CaO/Ca9Al6O18同时捕集CO2/SO2的循环吸收特性

以葡萄糖酸钙与葡萄糖酸镁及L-乳酸铝为前驱物,湿法制得了四种CaO/MgO和CaO/Ca₉Al₆O₁₈吸收剂,并进行了同时捕集CO₂/SO₂的实验。考察了吸收剂种类、质量配比、SO₂浓度及煅烧温度等对吸收剂吸收性能的影响。结果表明,CaO/MgO(质量比为75%/25%)吸收剂和CaO/Ca₉Al₆O₁₈(质量比为75%/25%)吸收剂分别保持了最好的吸收CO₂能力和最好的循环稳定性。SO₂严重阻碍了吸收剂对CO₂的捕集。SO₂浓度越高,吸收剂吸收CO₂能力下降的越快,但同时吸收SO₂的转化率也越高。数次循环后,总的Ca利用率开始上升,且SO₂浓度越高,上升趋势越明显。煅烧温度对CaO/MgO吸收剂和CaO/Ca₉Al₆O₁₈吸收剂循环吸收特性的影响略有不同。     

SGCS-made ultrafine CaO/Al_2O_3 sorbent for cyclic CO_2 capture

Multi-cyclic CaO carbonation/calcination is an attractive method for CO₂ capture during coal combustion.However,the capture capacity of CaO sharply decreases with increasing carbonation/calcination cycles.In order to improve the stability of CO₂ capture capacity of CaO during carbonation/calcination cycles,synthetic CaO/Al₂O₃ sorbents were synthesized by two methods:wet chemistry and sol-gel-combustion-synthesis（SGCS） to make a further comparison.The results indicate that the SGCS-made CaO/ Al₂O₃ = 80:20 wt%sorbent provides a competitive performance of a capture capacity of 0.43 g-CO₂/g-sorbent after 20 cycles.     

Preparation of biomass-derived phosphorus-doped microporous carbon material and its application in dye adsorption and CO2 capture

Microporous P-doped carbon materials are synthesized by a pyrolysis method using MCM-22 as a template, sucrose as a precursor, and phosphoric acid as phosphorus sources. The results show that the pore structure of the carbon materials can be adjusted by changing the amount of phosphoric acid and template. When the P/C molar ratio is 0.075, the obtained P-doped microporous carbon material shows excellent specific surface area up to 621 m²/g and shows a high adsorption capacity of 199.40 mg/g for crystal violet dye, with a removal rate of 98.9%. When testing the CO₂ adsorption capacity, it was found that the maximum adsorption capacity reached 63 mg/g and remained stable after 10 adsorption and desorption cycles, with excellent cycle stability. The adsorption obeys pseudo-second-order kinetic model, and the adsorption isotherm follows the Langmuir model.     

CeO_2掺杂对CaO基吸收剂CO_2捕获性能的影响

以P123作为软模板剂,通过均相沉淀法制备了CeO_2掺杂的CaO基吸收剂,研究了CeO_2掺杂对CO_2捕获的影响。结果表明,CeO_2掺杂可促进表面氧物种的生成,从而促进CaO与CO_2的碳酸化反应。CaO-CeO_2的相互作用一方面促进了从Ca到表面氧物种的电子转移;另一方面,由于部分Ca离子对晶格中Ce离子的取代,晶格的电中性被打破,有利于CeO_2中晶格氧的逸出,以及氧空位和O~(2-)的生成。本实验制备的纯CaO吸收剂的碳酸化反应活化能为28.1 kJ/mol,而掺杂CeO_2后活化能显著降低,且当Ce/Ca(物质的量比)为0.25时达到最低值10.2 kJ/mol。另外,CeO_2的掺杂有利于CaO的分散,进而减缓CaO烧结。CeO_2掺杂的吸收剂在碳酸化/煅烧循环中表现出良好的CO_2捕获性能和循环稳定性。     

Capsules with polyurea shells and ionic liquid cores for CO2 capture

Many ionic liquids (ILs) have good solubilities of CO₂ but the high viscosity of ILs makes them cumbersome and kinetically limits gas uptake. Encapsulation of ILs is an effective approach to overcoming these limitations. In capsules with a core of IL, the chemical composition of the shell impacts performance. Here, we report the preparation of capsules with a core of the IL [Bmim][PF₆] and polymer composite shell, then evaluate how the identity of the polymer impacts CO₂ uptake. IL-in-oil Pickering emulsions stabilized by nanosheets are used, with capsules formed by interfacial polymerization between different diamines and diisocyanates (e.g., shells are polyurea and nanosheets). The capsules contain 60–80 wt% IL and the composition was verified using Fourier transform infrared spectroscopy. Optical microscopy, scanning electron microscopy, and particle sizing data showed spherical, discrete capsules with 50–125 μm in diameter. All capsules are stable up to 250°C. Brunauer–Emmett–Teller analysis of CO₂ gas uptake data showed that different polymer compositions led to different CO₂ uptake properties, with capacity ranging from 0.065 to 0.025 moles of CO₂/kg sorbent at 760 torr and 20°C. This work demonstrates that the polymer identity of the shell impacts gas uptake properties and supports that shell composition can tailor performance.     

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)。     

焙烧温度对Pd-Cu/凹凸棒土CO常温催化氧化性能的影响

以凹凸棒土(APT)作载体,采用等体积浸渍法制备了Pd-Cu/APT催化剂,以CO氧化为探针反应,在连续流动微反装置上,考察了焙烧温度对催化剂CO常温催化氧化性能的影响。通过N2-物理吸附、XRD、TG、FT-IR和H2-TPR等手段对催化剂的结构和性质进行了表征。结果表明,随焙烧温度升高,Pd-Cu/APT中载体逐步脱水,进而引起催化剂结构和织构变化,其中,Cu物种由Cu(OH)Cl逐渐向CuO转变,同时,高分散的Pd物种与Cu物种间相互作用先增强后减弱。经300℃焙烧的催化剂比表面积大,Cu物种以Cu(OH)Cl形式存在,且具有良好的分散状态,与Pd物种之间产生较强的相互作用,显著提高了其还原性能。在空速6 000 h-1、CO体积分数0.5%、水蒸气体积分数3.3%的反应条件下,常温可将CO完全转化800 min以上。焙烧温度高于或低于300℃均引起CO常温催化氧化性能的下降。     

Postsynthetic amine modification of porous organic polymers for CO2 capture and separation

Porous organic polymers (POPs) constitute an important class of sorbents studied in various adsorption and separation processes. Their unique properties, including high surface areas, adjustable pore sizes, and surface chemistries make them ideal candidates for CO₂ capture. To achieve a high CO₂ adsorption capacity and selectivity, particularly at the low partition pressures required for post-combustion CO₂ capture or direct capture of CO₂ from the atmosphere, incorporating amines onto the polymer frameworks or within the pores has shown much promise. This review provides a comprehensive summary of recent studies on the synthesis and CO₂ capture performance of amine-functionalized POPs. The review also provides a detailed discussion of structure-performance relationships, focusing on how the loading amount and amine type influence CO₂ capture capacity, CO₂/N₂ selectivity, heat of adsorption, sorption kinetics, and recyclability of POPs. Additionally, the authors offer their perspective on the challenges associated with the practical implementation of amine-modified POPs for CO₂ capture.