CO、CO_(2)及其混合物加氢转化制甲烷的热力学平衡研究

由CO和CO_(2)加氢制甲烷是现今氢能储存及燃料和化学品可持续生产的有效途径之一,但目前对该反应过程(尤其是针对CO和CO_(2)混合物加氢)的一些细节尚不明晰。为此,作为前期有关CO和CO_(2)加氢制烃和醇研究工作的补充,本工作对CO和CO_(2),尤其是两者混合物的加氢制甲烷反应过程进行了热力学分析。结果证实,与单独CO或CO_(2)相比,两者混合物加氢制甲烷更为合适,总碳基甲烷收率可作为评估甲烷合成反应过程效率的重要指标。CO加氢的甲烷平衡收率比CO_(2)加氢的高,而CO和CO_(2)混合物加氢的总碳基甲烷平衡收率位于两者之间;对于CO和CO_(2)混合物加氢,尽管CO和CO_(2)的平衡转化率随进料组成不同会有很大的变化,但其总碳基甲烷平衡收率随着原料中CO_(2)/(CO+CO_(2))物质的量比的增大而线形降低。整体上看,在温度低于400℃和压力高于0.1 MPa时,无论是CO、CO_(2)、还是两者混合物的化学计量比加氢,其总碳基甲烷平衡收率均高于85%。这些结果无疑对高效CO和CO_(2)加氢制甲烷催化剂研制及反应过程的设计和操作优化有重要的参考价值。

微通道反应器内低共熔溶剂/水混合物吸收CO_(2)的传质特性

为了探索低共熔溶剂在CO_(2)吸收过程中的应用前景,通过实验对康宁先进流动反应器内低共熔溶剂/水混合物吸收CO_(2)的传质特性进行了研究,并与目前常用的CO_(2)吸收剂(N-甲基二乙醇胺的质量分数为30%的水溶液)进行了比较和分析。结果表明,当低共熔溶剂/水混合物吸收剂体积流量qV,L不变、气相体积流量qV,G增大时,反应器的吸收负荷、体积传质系数均随之增大;而吸收率在qV,G较低时随qV,G增大而增大,当qV,G较大时,吸收率变化趋于平缓;当qV,G不变、qV,L增大时,吸收负荷、体积传质系数随之减小,但压降随之增大,而吸收率在qV,L较小时随qV,L增大而减小,当qV,L较大时变化趋近平缓。采用气、液相Re数、液相Sc数及增强因子等自变量,建立了体积传质系数关联式和压降关联式,平均绝对偏差分别为4.19%和1.74%,最大绝对偏差分别为13.9%和11.7%。

脱落酸代谢及信号转导对胡萝卜CO_(2)加富的响应分析

胡萝卜作为世界十大蔬菜之一,随着设施农业的发展实现了周年供应。增施CO_(2)可提高胡萝卜产量和类胡萝卜素积累,而脱落酸(ABA)是调控植物生长和响应外界刺激的重要激素。为了探究胡萝卜ABA代谢和信号转导响应CO_(2)加富的分子机制,本研究分析CO_(2)加富与对照条件下ABA含量和9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)含量的变化;利用RNA-Seq分析CO_(2)加富条件下脱落酸代谢和信号转导过程中参与的关键基因表达情况。结果发现,增施CO_(2)抑制了ABA的合成,降低了酶含量;转录组分析共获得482个差异表达基因(DEGs),其中16个直接响应ABA代谢或与ABA信号转导相关,7个与ABA代谢相关,9个参与ABA信号通路,初步揭示了ABA信号和CO_(2)感知之间的分子关联,ABA不仅高度响应CO_(2)浓度变化,而且参与信号转导过程,调控生长发育。本研究结果为CO_(2)加富条件下ABA积累机制和调控ABA信号转导机制探究提供了参考。

含杂质CO_(2)混合体系的气液相平衡计算模型

对含杂质CO_(2)体系相平衡的准确表征是CCUS(碳捕集、利用与封存)应用中的关键。为探讨针对此类体系相平衡计算的最佳热力学模型,基于CO_(2)/N_(2)、CO_(2)/O_(2)与CO_(2)/H_(2)O等3种二元混合工质的气液相平衡数据,分别使用状态方程(PR、SRK、BWRS、CPA、GERG-2008)和活度系数模型(NRTL、UNIQUAC)进行了气液闪蒸计算。结果表明,针对含杂质CO_(2)二元混合体系,CPA方程具有最高的计算精度,其结果与实验值的平均偏差仅为4.75%。随后,采用CPA方程对CO_(2)/N_(2)、CO_(2)/N_(2)/O_(2)和CO_(2)/N_(2)/O_(2)/H_(2)O等混合物的相包络线进行了预测,其对泡点、露点压力的计算与NIST(美国国家标准与技术研究院)方法计算结果的平均偏差小于3.5%,表明了CPA方程可作为一种简单且准确的含杂质CO_(2)混合体系相平衡计算方法。

低腐蚀、高效相变吸收体系CO_(2)捕集性能及机理研究

液-液相变吸收剂作为碳捕集领域最具节能潜力的新兴吸收剂仍存在CO_(2)容量有限、腐蚀性强等缺点。以富含氨基的聚酰胺-胺树状大分子(PAMAM)为阳离子、具有含N杂环的2-甲基咪唑(2-MI)为阴离子合成离子液体(ILs),并与水和二乙二醇丁醚(DGBE)构建液-液相变吸收剂。以多氨基协同吸收的方式大幅度提升CO_(2)吸收性能,其CO_(2)容量可达4.98 mol CO_(2)/mol ILs,富CO_(2)相体积分数仅为28.7%,且腐蚀性仅为单乙醇胺(MEA)溶液的13.87%。^(13)CNMR分析结果表明,吸收机理遵循两性离子机理及碱性水合机制。用Kamlet-Taft法量化极性发现,相分离现象的发生与极性、密度、黏度变化密切相关。

热态C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体电击穿特性研究

热态气体的临界击穿场强是评估高压断路器弧后电击穿特性的基础数据,文中研究了C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体在C_(5)F_(10)O混合比例k=0~10%、压强0.1~2.0 MPa、温度300~4 000 K范围内的临界击穿场强。基于质量作用定律数学模型,得到不同温度下混合气体的平衡组分,采用两项近似方法求解玻尔兹曼方程,分析混合气体的电子能量分布函数、折合电离和吸附系数,获得混合气体的临界折合击穿场强和临界击穿场强。结果表明:0.6 MPa下,温度低于3 000 K时,随着温度降低,k=0~10%混合气体的临界击穿场逐渐低于SF_(6);在温度高于3 000 K时,混合气体的临界击穿场强为SF_(6)的1.2倍以上,具有较强的绝缘能力。研究结果可为C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体高压断路器弧后电击穿特性研究提供参考。

CO_2二元混合物压缩/引射制冷循环性能研究

引入CO_2混合物以及利用压缩/引射制冷循环,能有效提高其系统循环效率。建立了两相流引射器系统,采用均相流的索科洛夫理论、Eames等理论及热力学方法中两相流引射器模型进行分析,通过与文献中的实验结果对比,确定热力学方法在两相流引射器的设计计算中较为接近实际。基于热力学方法对CO_2/R32(质量比40/60)、CO_2/R41(质量比20/80)两类二元非共沸混合工质压缩/引射制冷循环系统的效率进行分析,发现带引射器比不带引射器时效率分别提高了30%和20%,而且通过引入混合物改善物性后的系统效率可以比纯工质CO_2系统效率提高50%以上,同时证明了CO_2/R32的效果要好于CO_2/R41。

低温下C4F7N/CO_(2)混合气体的绝缘特性与参数配置

为提出低温下满足液化温度和绝缘要求的C4F7N/CO_(2)混合气体的参数配置,研究了C4F7N/CO_(2)混合气体在低温下的绝缘特性。首先采用实验和计算得到了不同气压和混合体积比例下C4F7N/CO_(2)混合气体的液化温度,结果表明计算得到的液化温度与实验数据较为相符。其次开展不同温度下C4F7N/CO_(2)混合气体的工频击穿试验,获得了C4F7N/CO_(2)混合气体的击穿电压随温度的变化。结果表明:气体在液化阶段的击穿电压标准差为液化后的2~7倍,且液化后混合气体的绝缘性能出现显著下降。此时击穿电压只与温度有关,基本不受混合体积比例的影响。考虑混合气体设备的应用需求,分别以–25℃和–30℃为最低使用温度,提出了满足要求的C4F7N/CO_(2)混合气体参数配置方案,可为低温下C4F7N/CO_(2)混合气体的应用提供参考。

CO_(2)海底咸水层封存波及范围地震监测方法研究:以Sleipner CCS项目为例

咸水层封存占CO_(2)封存潜力的98%,过去针对CO_(2)海底咸水层波及范围四维地震监测的研究多是通过时延地震资料之间的差异性进行定性分析,缺少测井资料的约束。本文基于Sleipner咸水层CO_(2)封存项目采集的测井和四维地震资料,对CO_(2)海底咸水层封存波及范围地震监测方法进行研究。通过岩石物理建模,应用井控地震属性分析技术研究CO_(2)注入过程中CO_(2)-盐水两相介质变化引起的各向异性响应特征,优选对CO_(2)饱和度变化敏感的地震属性,通过地震正反演相结合的多属性分析实现对时移CO_(2)咸水层封存波及范围监测。研究发现随着CO_(2)饱和度的增加,饱和岩石的体积模量、体积密度、纵波速度和横波速度均有所下降,正演模拟结果中总体振幅升高,且随着CO_(2)注入量的增加,其振幅变化幅度减小,均方根振幅属性对CO_(2)饱和度变化最为敏感。在注入期间,CO_(2)在层内主要沿SSW-NNE运移,并在构造高部位聚集;垂向上,CO_(2)从注入点向上层运移,下层达到最大波及范围的时间早于上层,结合储层性质和构造解释结果,CO_(2)在储层内的波及范围主要受各项异性渗透率和构造高低控制。

SC-CO_(2)与工业乳化炸药破岩效应的等效试验

如何定量化核算SC-CO_(2)(超临界二氧化碳)破岩效率是非炸药类破岩技术在实际工程应用时重点关注的内容.本研究基于爆破当量理论计算和现场爆破试验的研究方法,通过工程类比法进行工业乳化炸药等效当量计算,选择典型代表性花岗岩及泥岩场地,设计进行了SC-CO_(2)与工业炸药破岩效应等效对比现场试验;基于现场破岩等效现场试验测试数据,对比分析试验过程中SC-CO_(2)与工业炸药破岩体积、破岩区域形态、大块率和单耗等破岩区域特征及参量数据.研究结果表明:当SC-CO_(2)破岩体积较大时,其致裂破岩范围的长短轴较长,并且随着剪切片厚度的增加,泥岩场地二氧化碳单耗的下降速率增大,二氧化碳单耗是炸药单耗的6~11倍.SC-CO_(2)破岩技术大块率较高,而炸药爆炸应力波分布均匀,大块率较小.SC-CO_(2)破岩地表振速远小于工业炸药破岩,工业炸药爆破测点合振速值为SC-CO_(2)破岩测点合振速值的9~11倍,SC-CO_(2)破岩对周边环境震动影响较小.SC-CO_(2)破岩测点合应力峰值高于工业炸药破岩,SC-CO_(2)破岩试验中各测点合应力值为炸药破岩试验中对应测点值的1.2~1.6倍.

CO_2/润滑油混合物在水平管内流动沸腾换热的试验研究

为了测试润滑油对CO2流动沸腾换热特性的影响，以指导CO2换热器的设计，对CO2／润滑油混合物在水平管内的流动沸腾换热系数进行了试验研究，试验工况质量流量为2．74～5．61kg／h，热流密度为3．2～5kW／m^2，测试段入口干度为x=0．2～0．5，蒸发温度在-4—8℃之间，选择PAG作为润滑油，浓度为0～6％。试验结果表明，润滑油浓度越大，CO2的局部换热系数越小；润滑油浓度较低时（〈3％），换热系数下降较大，再增大含油量，换热系数下降的趋势减缓。增大蒸发温度可以延迟干涸的发生，相反地，大的热流密度和质量流量可以使管内提前出现干涸。CO2／润滑油混合物的换热系数随蒸发温度的升高而增大，随热流密度和质量流量的增大而减小。

Cu掺杂SnS_(2)纳米花高效电化学还原CO_(2)合成甲酸盐的研究

为了提高Sn基材料表面CO_(2)电化学还原为甲酸盐的法拉第效率,利用一步溶剂热法合成了具有丰富硫空位的Cu掺杂SnS_(2)纳米花(Cu-SnS_(2-x))催化剂,在较宽的电位窗口实现了CO_(2)电化学还原制备甲酸盐。结果表明,通过调控催化剂制备过程中Cu和Sn的摩尔比,在-1.1 V vs.RHE电位条件下得到了72.64%的FE_(formate),电流密度J_(formate)达到-14.38 mA/cm^(2)。二维纳米片阵列增加了催化活性位点,Cu掺杂所产生的硫空位能够协同提高催化活性、促进电子转移,从而提高甲酸盐的选择性。

基于Boltzmann方程对C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元环保型混合气体的绝缘性能研究

为研究一种新型SF_(6)替代环保绝缘气体介质,采用密度泛函理论(DFT)从微观结构层面上深入地分析C_(3)F_(8)作为一种SF_(6)替代环保绝缘气体的可行性,利用两项近似的Boltzmann方程对300 K下C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元环保混合绝缘气体介质的绝缘特性进行了分析,计算三元环保混合气体的电子能量分布函数、电子群参数和协同效应系数等多种微观参数,分析了这些参数随C_(3)F_(8)混合气体比例的变化情况,并与同比例下的c-C_(4)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元混合气体的微观参数进行了对比和分析。在约化电场强度E/N低于418 Td时,从扩散系数、电子漂移速度的角度上来看,C_(3)F_(8)三元混合气体的性能优于c-C_(4)F_(8)三元混合气体,在C_(3)F_(8)比例低于7%时,C_(3)F_(8)三元混合气体的绝缘强度高于30%SF_(6)/70%CO_(2)的混合气体,此时的三元混合气体在中低压设备中具有一定的应用潜力。此外,当C_(3)F_(8)气体体积分数为10%时,三元混合气体协同性最好。文中的研究从理论上验证了C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)替代SF_(6)的可能性。

混合醇胺法吸收电厂烟气中CO_(2)的性能研究

为改善一乙醇胺(MEA)溶液体系的吸收解吸性能,搭建了实验平台,针对以MEA为主吸收剂的混合醇胺溶液体系进行了吸收解吸实验。结果表明,在同样浓度的11种混合溶液体系中,N-(2-氨乙基)哌嗪(AEP)与N-(2-羟乙基)乙二胺(AEEA)的加入对于提升捕集性能最为有利,可以兼顾较高的吸收容量与解吸率;针对不同浓度比例的AEP+MEA与AEEA+MEA溶液体系进行研究发现,AEP浓度为1.5 mol/L时,吸收容量较单一MEA体系提升30.57%,解吸率提高6.72%,循环容量提高了45.86%。

用于CO_(2)分离的Pebax基混合基质膜稳定性研究进展

膜技术在二氧化碳捕集和分离过程中以高效、节能、经济等优势成为当前研究的热潮。聚合物膜由于可加工性强、成本低廉等优点已被广泛商业化,但聚合物膜存在渗透性和选择性的“trade-off”效应问题,即高渗透性膜选择性反而低,反之亦然。将多孔材料加入聚合物基质中制备的混合基质膜能够实现气体渗透性和选择性的同时提升,成为气体分离膜领域的研究趋势。本文综述了聚醚嵌段聚酰胺(Pebax)为聚合物基质、多孔材料为填料所制备的混合基质膜在二氧化碳分离稳定性方面的研究进展。概述了沸石、金属有机骨架和共价有机骨架三类多孔材料在水、酸、碱和有机溶剂等存在下的化学稳定性并对其机理进行解释。重点介绍了以Pebax为基质的混合基质膜在CO_(2)分离过程中抗湿性和长期稳定性的研究现状。最后,针对膜稳定性在气体分离领域的发展,提出了多孔材料和膜在基础研究中的研究重点,指出了理论交叉实验以及多样化手段评估膜稳定性的研究方向。此外,从填料和聚合物的设计制备角度提出了改善膜稳定性的策略,旨在进一步提升Pebax混合基质膜对CO_(2)混合气体的分离稳定性。

C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体多次放电后的绝缘性能劣化研究

C_(4)F_(7)N气体由于具有优良的绝缘性能,作为典型的SF_(6)替代气体受到本领域广泛关注。文中针对C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体多次击穿放电后的性能劣化现象,在针板电极下开展了不同配比条件下C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体的工频电压击穿试验,并利用气相色谱质谱联用仪来检测混合气体多次击穿放电后的分解物。通过研究发现:C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体多次击穿电压会出现劣化现象,此外,随着C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体击穿次数增多,分解产物六氟乙烷C_(2)F_(6)明显增多,其他几种杂质的含量相对较少,CF_(2)=CFCN、CF_(3)CHFCN、CF_(3)CH(CF_(3))CN的含量也随之增多,与之对应的,C_(4)F_(7)N含量有所降低。

耕作措施对红壤坡耕地土壤CO_(2)排放的影响

[目的]探析红壤坡耕地不同耕作措施对土壤二氧化碳(CO_(2))排放的影响,为红壤坡耕地绿色低碳耕作模式构建与耕作措施优化提供理论依据。[方法]通过设置横坡垄作(RT)、顺坡垄作(DT)、覆膜耕作(PM)和传统耕作(CT)4种典型耕作措施试验小区,采用结构方程模型探究了土壤理化性状与土壤CO_(2)排放间的响应关系,并采用综合评价模型定量分析了不同耕作措施的降碳增产综合效益。[结果]RT的土壤有机碳和全氮含量总体较高,可显著增加土壤总孔隙度,降低土壤容重(p<0.05),DT则相反;PM的土壤温度及含水率显著高于其余耕作措施,RT和DT为代表的垄作措施显著高于CT。在作物生育期内,不同耕作措施的土壤CO_(2)排放通量在60.53~818.90 mg/(m^(2)·h),呈先升高后降低的波动趋势,耕作措施间土壤CO_(2)累计排放量大小关系为PM>DT>CT>RT,RT可显著减少3.4%~22.4%(p<0.05),而作物生育期间为花粒期>穗期>苗期。降雨侵蚀对红壤坡耕地土壤CO_(2)排放具有明显“Birch效应”,降雨侵蚀后耕作措施间土壤CO_(2)排放通量大小关系为DT>PM>CT>RT。红壤坡耕地主要通过调节土壤温度、土壤含水率、全氮和容重来影响土壤CO_(2)排放通量。[结论]RT对降低土壤CO_(2)排放及增加作物产量具有积极作用,可优先在南方红壤坡耕地进行推广。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体自由燃弧特性仿真研究

目前电力行业中采用C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体作为绝缘介质替代SF_(6)的可推广性较高,但对其灭弧性能的研究仍有待深入。文中基于磁流体动力学(MHD)理论模拟了棒—棒电极间隙的自由燃弧动态过程,计算了0.6 MPa的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体(C_(4)F_(7)N占比分别为7%、10%、20%)和SF_(6)的电弧伏安特性。研究结果表明:C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在轴向的扩散能力强于SF_(6)气体;与C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体相比,SF_(6)气体的燃弧温度更低,增大C_(4)F_(7)N的比例可降低燃弧温度;在燃弧过程中SF_(6)气体的电弧电压最低,增加C_(4)F_(7)N的比例对降低混合气体的电弧电压效果明显。

g-C_(3)N_(4)基异质结光还原CO_(2)的研究进展

光催化技术能够将CO_(2)转化为有价值的烃类化合物,为解决化石燃料短缺和全球变暖问题提供了新的途径。然而,传统半导体光催化剂由于比表面积小和吸附CO_(2)能力不足,效果有限。g-C_(3)N_(4)凭借其无毒、高稳定性和低成本特性,在光催化领域备受关注。尽管纯g-C_(3)N_(4)的光催化效率受到光生电子/空穴对快速复合、比表面积小和光吸收不足的制约,但通过与大带隙半导体形成异质结构,g-C_(3)N_(4)的电荷分离、比表面积和光吸收能力得到了显著增强。这种基于g-C_(3)N_(4)的异质结构包括半导体支持型、炭材料支持型、非金属支持型以及金属有机骨架支持型,它们在CO_(2)光转换中展现出巨大潜力。然而,改性g-C_(3)N_(4)基异质结构在CO_(2)光转换中仍面临挑战,需要进一步的研究和设计创新。这篇综述强调了基于g-C_(3)N_(4)的异质结构在环保且可持续的CO_(2)还原方法中的重要作用。

Mg在CO_(2)/Ar混合气体中的双反应区燃烧模型研究

Mg粉/CO_(2)是实现火星探测原位资源利用的理想推进剂。针对Mg颗粒在含CO_(2)混合大气中燃烧,基于火焰层假设,建立了Mg在CO_(2)/Ar混合气体中的双反应区燃烧模型,分析了Mg在CO_(2)/Ar燃烧过程中各组分质量分数、各组分流量、颗粒和火焰层的温度分布,研究了环境压强、CO_(2)质量分数、环境温度和颗粒粒径对燃烧特性的影响。结果表明:环境压强增大,颗粒温度增大、火焰层温度变化不大。在环境压强低于20 kPa时,火焰层半径随环境压强升高快速增大,颗粒燃烧时间随环境压强升高快速变短,随后都基本保持不变;CO_(2)质量分数增大,颗粒温度与火焰层温度升高、火焰层半径减小、颗粒燃烧时间缩短;环境温度增大,颗粒温度变化不大、火焰层温度升高、火焰层半径减小、颗粒燃烧时间延长;颗粒粒径增大,颗粒温度与火焰层半径变化不大、火焰层温度降低、颗粒燃烧时间延长。