适合致密油藏的超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐技术

为了进一步提高致密油储层超临界CO_(2)吞吐的开发效果,探索适合致密油藏的超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐技术,通过原油黏度实验、油气界面张力实验、最小混相压力实验、原油膨胀系数实验以及超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐模拟实验,评价了不同类型气溶性表面活性剂的性能及其对吞吐采收率的影响。结果表明:气溶性表面活性剂GRS⁃1的综合性能更加突出,随着气溶性表面活性剂质量分数的不断增大,原油黏度、油气界面张力和最小混相压力均呈现出逐渐降低的趋势,而原油体积膨胀系数则逐渐增大,并且岩心的吞吐采收率和入口端压力也呈现出逐渐增大的趋势;随着混合流体注入量的增加以及闷井时间的延长,岩心吞吐采收率和入口端压力均逐渐增大,并且岩心的渗透率越大,吞吐采收率就越高;超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐的最佳实验参数为气溶性表面活性剂GRS⁃1的质量分数0.6%、混合流体注入量0.5 PV、闷井时间3 h、吞吐轮次3次。该复合吞吐技术能够显著提高致密油藏的采收率,对高效开发致密油藏具有指导意义。

湿气环境中CO_(2)-H_(2)S在α-Fe(110)密排面上吸附与点蚀机理研究

目的从微观尺度探究CO_(2)-H_(2)S(CO_(2)和H_(2)S共存)在湿气管道顶部的吸附特性,进而揭示点蚀机理。方法基于密度泛函理论的第一性原理,利用Materials Studio构建CO_(2)、H_(2)S和CO_(2)-H_(2)S在α-Fe(110)密排面的吸附模型,对CO_(2)、H_(2)S和CO_(2)-H_(2)S在α-Fe(110)面的吸附能、局域态密度、分波态密度和差分电荷密度进行仿真;利用高温高压釜模拟CO_(2)-H_(2)S-Cl^(-)腐蚀环境,分析L360钢在湿气环境中的腐蚀行为;最后,揭示含Cl^(-)湿气管道顶部CO_(2)-H_(2)S吸附机制与点蚀机理。结果CO_(2)、H_(2)S、CO_(2)-H_(2)S及CO_(2)-H_(2)S-Cl^(-)在最稳定位置时的吸附能分别为-4.065、-3.961、-8.538、-12.775e V,表明相较于CO_(2)与H_(2)S单独吸附,CO_(2)-H_(2)S在α-Fe(110)面的吸附能更负,Cl^(-)会进一步降低CO_(2)-H_(2)S的吸附能;且CO_(2)在与H_(2)S竞争环境电子中占优势;Cl^(-)会使CO_(2)-H_(2)S的局域态密度峰值降低,转移趋势为失去电子,基体和腐蚀介质的电子向着低能级跃迁释放出更多能量,进而加强了Fe与CO_(2)-H_(2)S间的化学键强度;Cl^(-)的2p轨道与Fe的3d轨道在-6.8 eV和-5.7 eV发生重叠,Cl^(-)被吸附到Fe表面并与Fe形成化学键生成氯化物,进而改变腐蚀产物膜的组分与结构,削弱产物膜的致密性和稳定性,减弱腐蚀阻抗力。在含Cl^(-)湿气的CO_(2)-H_(2)S环境中,液相中的Cl^(-)浓度升高,使L360钢的气相平均腐蚀速率逐渐增大,最高达2.935mm/a,点蚀越发严重。结论CO_(2)与H_(2)S在α-Fe(110)面吸附存在一定的协同和竞争作用,协同促进金属的腐蚀,FeCO3会优先沉积成膜,但H_(2)S会抑制FeCO3的生长,腐蚀产物以FeS为主;Cl^(-)会增强CO_(2)-H_(2)S与α-Fe(110)面间的作用力,弱化腐蚀产物膜层的保护性,进一步加速金属腐蚀、尤其是点蚀。

类沸石型咪唑酯骨架材料制备及其CO_(2)吸附性能

由有机配体和金属离子链接的类沸石型咪唑酯骨架(ZIFs)是金属有机框架材料中独特的一个子类,其孔结构可控,且气体储存性能优异。本研究采用溶剂热法制备了ZIF-8、ZIF-9、ZIF-68三种ZIFs材料,并对其进行X射线衍射、N_(2)吸附脱附、热重、红外等测试表征。X射线衍射分析结果显示三种ZIFs材料的衍射峰与其标准卡一致,表明材料的成功制备。N_(2)吸附脱附测试结果表明ZIF-8的比表面积和孔体积最大,分别高达2 284.83 m^(2)/g和3.13 cm^(3)/g;ZIF-8、ZIF-9和ZIF-68最可几孔径分别约为1.00、6.44和0.6 nm。热重测试结果表明,ZIF-8的热稳定性最好。ZIFs材料的CO_(2)吸附性能研究结果表明ZIF-68吸附性能最高,273 K/1 bar及298 K/1 bar条件下,可达74.37和42.62 cc/g,这可能是因为ZIF-68晶体中约0.6 nm孔径更易于CO_(2)气体吸附。研究结果表明,0.6 nm孔径尺寸较易于吸附CO_(2)温室气体,且ZIFs材料是一种较理想的CO_(2)吸附材料。

PEI功能化乙酸锌辅助机械化学法合成的ZIF-8吸附CO_(2)性能研究

为开发高效且适合大规模生产的CO_(2)吸附剂,采用乙酸锌为辅助研磨物,ZnO为金属前驱体,利用机械化学法高效合成高比表面积的ZIF-8材料,考察了机械化学法的合成条件及优势,采用湿浸渍法将聚乙烯亚胺(PEI)负载到ZIF-8材料中,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)和N2吸附-脱附等进行表征,评价其CO_(2)吸附性能。结果表明:机械化学法可在短时间内高效合成ZIF-8材料,其收率高达80.7%。机械化学法显著减少了有机溶剂和有机配体的用量,所合成的ZIF-8具有更小的粒径。PEI的加入显著提高了ZIF-8的CO_(2)吸附性能,其中PEI负载量为60%(质量分数)的吸附剂在50℃的吸附量最高,达到90.21 mg/g,较ZIF-8提高约14倍。此外,该复合材料还表现出良好的稳定性和再生性,在CO_(2)吸附领域具有广阔的应用前景。

煤吸附CO_(2)压缩因子快速计算模型研究

为研究Virial、V-d-W、R-K、S-R-K、P-R、童景山等6种工程常用气体状态方程中适合煤吸附CO_(2)压缩因子最优方程及快速计算模型,以3种不同变质程度煤样为研究对象,采用容量法实测了试验温度为30℃时应用以上6种方程所得煤的CO_(2)吸附量、CO_(2)吸附常数及吸附等温线。研究表明:与美国国家标准技术研究所(NIST)提供的CO_(2)压缩因子相比,采用Virial状态方程得到的CO_(2)压缩因子最大、绝对误差最小,为0.38%;吸附等温线拟合优度最高,CO_(2)吸附常数a值绝对值误差最小,确定出煤吸附CO_(2)压缩因子最优方程为Virial方程;同时,提出试验温度为30℃时,CO_(2)压缩因子一种简便快捷计算模型,经检验,该模型相对美国标准计算所得CO_(2)吸附常数a值绝对值误差最大不超过1%,且操作简便,快速精确。

ZIF-8@GO复合材料的合成及其对CO_(2)吸附性能

化石燃料燃烧排放的CO_(2)造成温室效应日趋严重,开发具有对CO_(2)高吸附性能的吸附剂至关重要.而金属-有机框架材料(MOFs)和氧化石墨烯(GO)作为新型吸附剂,仍存在对CO_(2)吸附性能低的问题.采用溶剂热法制备ZIF-8@GO材料,利用XRD、SEM、BET等表征手段,研究了ZIF-8@GO材料的微观结构及其对CO_(2)吸附性能.研究表明:ZIF-8@GO保持了ZIF-8的晶型结构,GO主要对ZIF-8起到尺寸调控和结构导向作用.气体吸附分离测试表明,ZIF-8@GO材料与ZIF-8材料相同,均是以微孔占据孔隙主导地位的材料;当GO参与复合比例为8%时,ZIF-8@GO(8%)材料的BET和Langmuir比表面积分别为1037.18、1115.90 m^(2)/g,对CO_(2)吸附量为34.347 cm^(3)/g,较母体ZIF-8材料对CO_(2)吸附量提高了32.3%.

扩散吸附作用下CO_(2)非混相驱微观渗流特征模拟

利用数值模拟方法建立CO_(2)非混相驱数值模型,使用水平集法模拟扩散吸附作用下CO_(2)非混相驱和近混相驱的微观渗流规律,并对CO_(2)在孔隙中的微观渗流特征及扩散吸附特征进行研究,选取注入速度、扩散系数、吸附反应速率常数等参数研究近混相驱微观渗流特征的影响因素。研究结果表明:①相场法CO_(2)驱数值模拟采出程度为51.29%,水平集法CO_(2)驱数值模拟采出程度为53.60%,因此水平集法更适用于CO_(2)非混相驱的渗流过程模拟。②非混相驱条件下,CO_(2)优先向大孔隙扩散,采收率为87.7%,出口气体体积分数为71.60%,CO_(2)最大表面吸附浓度为3.16×10-4mol/m^(2);近混相驱条件下,CO_(2)更易向小孔隙扩散,采收率为91.1%,出口含气率为97.01%,CO_(2)最大表面吸附浓度为5.81×10-4mol/m^(2)。③近混相驱微观渗流特征受注入速度、扩散系数、吸附反应速率常数等因素影响。注入速度增大,出口含气率和采收率均提高;扩散系数和吸附反应速率常数增大,会使采收率提高,出口含气率下降。

超临界CO_(2)作用下无烟煤结构响应特征及高压吸附机理

中国深部煤层气资源丰富,将CO_(2)注入深部煤层,在提高煤层气采收率同时,还可实现CO_(2)地质封存(CO_(2)-ECBM)。通常,深部煤层CO_(2)处于超临界态并显著影响煤体吸附能力,但对于超临界CO_(2)作用下煤体结构演化及吸附机理尚不清晰。为此,以山西晋城成庄矿二叠系山西组三号煤层为研究对象,开展了无烟煤对超临界CO_(2)的高压吸附实验,结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射光电子能谱(XPS)测试及比表面积(BET)测试,分析了超临界CO_(2)高压吸附引起的无烟煤化学结构与孔隙结构响应特征,最后揭示了无烟煤对超临界CO_(2)的高压吸附特性及吸附机理。研究结果表明:①超临界CO_(2)高压吸附存在突变点,35℃时突变点位于临界压力(8 MPa)附近,在突变点处的吸附能力最小;②超临界CO_(2)可使芳香环枝接官能团、醚氧键、羟基氢键断裂,脂肪结构甲基脱落,可为CO_(2)提供更多的吸附位点,增强了无烟煤表面吸附能力;③超临界CO_(2)改变无烟煤介孔的孔隙结构特征和分形特征,吸附后平均孔径、孔体积、比表面积、分形维数呈增大趋势,孔隙粗糙度增大,对孔隙结构改造作用表现为“增孔、扩孔、粗糙化”,可提供更多吸附空间,增强了无烟煤吸附能力;④在深部煤层中注入CO_(2),应优先选择高孔隙度、高渗透性储层,注入煤层环境应尽可能远离CO_(2)临界点区域,储层对CO_(2)才有最大吸附能力。结论认为,成果认识为深部煤层CO_(2)可注性及封存潜力评估提供了重要的理论依据,对煤层气高效开发具有重要现实意义。

基于响应曲面法优化氮掺杂活性炭的制备和CO_(2)吸附性能研究

氮掺杂活性炭制备过程中影响其性能的因素极其复杂,单一因素的定性分析无法满足对制备条件的准确调控,而多因素耦合量化分析可以弥补不足。以煤焦油沥青为原料,采用KOH活化法,与尿素共热解制备氮掺杂活性炭,通过响应曲面法(RSM)进行建模,以量化分析多因素耦合作用对活性炭产率和不同温度下(25℃,50℃和75℃)对CO_(2)吸附性能的影响,同时优化制备工艺参数,并且在此实验设计基础上利用线性拟合方法预测不同温度下CO_(2)吸附量的相关性。结果表明:对活性炭产率的影响由大到小的单因素依次为掺氮比(尿素与煤沥青的质量比)、活化温度、碱碳比(KOH与煤沥青的质量比)、活化时间,活化温度和活化时间的耦合作用影响最显著,碱碳比是影响活性炭CO_(2)吸附量最为关键的因素,但随吸附温度升高其他因素影响显著性增强;不同温度下CO_(2)吸附量可以进行相互预测,且相邻温度下CO_(2)吸附量之间的预测效果更好;得到的最佳制备条件为活化温度650℃、活化时间1.25 h、碱碳比2.5、掺氮比0.3,相应的活性炭产率可达59.316%,在25℃,50℃和75℃下CO_(2)吸附量分别为3.474 mmol/g,2.355 mmol/g,1.358 mmol/g。

SO_(2)对K2CO_(3)吸附CO_(2)性能影响的实验及DFT机理研究

电站锅炉的尾气在脱硫后含有微量的SO_(2),导致CO_(2)吸附剂性能变差。根据电厂烟气的组分,采用模拟烟气在实验室条件下对K2CO_(3)吸附剂的CO_(2)吸附性能及SO_(2)对CO_(2)吸附的影响进行实验研究。结合XRD分析,利用密度泛函理论(density functional theory,DFT)对SO_(2)在K2CO_(3)吸附剂上的影响及CO_(2)吸附机理进行理论研究。结果表明,受SO_(2)分子S原子活跃的s轨道影响,S的p轨道及O原子活性均增强,与K2CO_(3)表面O原子价带顶能带简并,SO_(2)被优先吸附在K2CO_(3)表面的O顶位,并将CO_(2)推离吸附剂表面,导致吸附剂活性位点虽有空余却无法吸附CO_(2)。在实验中表现为:模拟烟气中CO_(2)体积浓度为10%时,气氛中体积浓度为0.007%的SO_(2)会使吸附剂的吸附量由1.65 mmol/g降低至1.01 mmol/g。提出CO_(2)与H2O在K2CO_(3)(001)表面的吸附机理,理论计算的反应活化能为40.7 kJ/mol,反应热为-54.9 kJ/mol。

水污染治理K_(2)CO_(3)-尿素活化毛竹制备分级多孔炭及其对RhB的吸附作用

以毛竹粉为原料,低腐蚀性K_(2)CO_(3)和尿素作为活化剂,制备毛竹基活性炭(PAC),分别利用SEM和N_(2)物理吸附仪(Autosorb-iQ)表征活性炭的表面形态和微观孔结构特点,研究不同p H值、时间和PAC用量等因素对PAC吸附RhB性能的影响,并分析其吸附规律。结果表明,当毛竹粉、K_(2)CO_(3)和尿素的质量比为4∶2∶1,热解温度为600℃,活化时间为60 min时,PAC具有微-介孔共存、高比表面积(2 554.85 m^(2)/g)和总孔容大(0.98cm^(3)/g)的特点。PAC对Rh B表现出良好的吸附效果,45℃时最大静态平衡吸附量达到707.29mg/g,且准二级动力学模型对PAC吸附RhB具有更好的拟合性,即吸附过程以化学吸附为速度控制步骤;吸附等温线试验则表明,Langmuir和Freundlic这2种模型与吸附过程均有较高的拟合度,但Langmuir模型的R^(2)更接近1,属于以单层吸附为主同时存在非均匀多层吸附的行为;热力学结果分析表明,PAC对RhB吸附过程的△G°<0,△H°>0,△S°>0,说明吸附行为是自发进行,且以化学吸附为主。

超微孔废纸碳气凝胶的制备及其CO_(2)吸附性能研究

气候变化的加剧要求更加绿色高效的碳减排技术和产品的开发。固废和生物质衍生的常规CO_(2)碳质吸附剂材料吸附效果较差,需要进行额外的活化改性以提升多孔炭的吸附性能。本工作以废纸为原料,经过简单预处理和溶胶凝胶炭化工艺,得到微孔高度发达的超微孔废纸碳气凝胶,探究了不同种类废纸和制备温度的影响。对材料的理化特性和CO_(2)吸附性能进行了表征和测试,结果表明,废纸碳气凝胶的孔隙结构发达,呈类蜂窝状。打印纸为原料,800℃下制备的废纸碳气凝胶具有大比表面积1369.94 m^(2)/g、高孔容0.59 cm^(3)/g和孔径为0.4-0.8 nm的超微孔。无需改性,0℃时的CO_(2)吸附量为247 mg/g,对应CO_(2)/N_(2)吸附选择性为11,25℃时的动力学吸附量为151 mg/g,七次吸脱附循环的平均波动幅度小于5%,对烟气CO_(2)(10%)的捕获量为42 mg/g。废纸碳气凝胶展现出优异的CO_(2)吸附性能和再生稳定性,优于固废和生物质衍生的常规炭材料。本工作也为固废处置和资源化利用提供了新思路。

含膦多孔有机聚合物负载氧化镁的制备及其CO_(2)吸附性能

MgO吸附剂因其成本低廉、来源广泛、再生能耗低等优势在CO_(2)吸附领域应用广泛,但比表面积低限制了其吸附性能。以高表面积、多级孔结构的含膦多孔有机聚合物POL-PPH_(3)为载体,采用浸渍煅烧法和超声煅烧法制备得到POL-PPH_(3)负载的MgO吸附剂(MgO/POL-PPH_(3)),用于CO_(2)捕集。探究制备方法、煅烧温度、煅烧时间等制备条件对MgO/POL-PPH_(3)吸附剂上CO_(2)吸附性能的影响。研究发现,浸渍煅烧法优于超声煅烧法,且随着煅烧温度和煅烧时间增加,MgO/POL-PPH_(3)样品上CO_(2)吸附容量逐渐降低。采用浸渍煅烧法,煅烧温度300℃,煅烧时间1 h时,MgO/POL-PPH_(3)-300-1吸附剂上获得最优CO_(2)吸附量,达0.55 mmol/g。在组成为12%CO_(2),其余为氮气的模拟烟道气中,MgO/POL-PPH_(3)-300-1吸附剂上CO_(2)吸附容量达0.02 mmol/g,200℃吸附60 min,370℃脱附15 min条件下,该吸附剂稳定循环使用5次后,CO_(2)吸附容量仍保持不变。结合N 2物理吸附、热重、FT-IR、XRD、SEM-EDX等表征手段,阐明MgO/POL-PPH_(3)吸附剂上吸附CO_(2)的构效关系。动力学模型分析表明采用浸渍煅烧法不同煅烧温度下获得的3种吸附剂上CO_(2)吸附以物理吸附为主,而不同煅烧时间下获得的3种吸附剂包括MgO/POL-PPH_(3)-300-1吸附剂上CO_(2)吸附行为以化学吸附为主。高比表面积及多级孔道结构有利于暴露更多的活性位点及CO_(2)传输与扩散,进而增大MgO/POL-PPH_(3)吸附剂的CO_(2)吸附容量。MgO在载体上高度分散也有利于增强与CO_(2)的接触,以加快CO_(2)吸附速率。

煤气化细渣基吸附剂的CO_(2)吸附性能

吸附法是碳捕集的主要途径之一。氨基功能化多孔材料作为重要的CO_(2)吸附剂,通常以价格高昂的介孔分子筛为载体,这极大地限制了吸附法的规模化应用。因此,降低载体成本对于碳捕集有着重要的现实意义。使用盐酸处理煤气化细渣(FS)制得酸浸渣材料(AFS),进一步嫁接3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)制备氨基功能化CO_(2)吸附材料(AFS-A-x)。利用热重分析(TG-DTG)、傅立叶变换红外光谱分析(FTIR)和低温N2吸脱附等方法对样品进行表征,利用高压气体吸脱附仪(PCTPro)考察FS,AFS和AFS-A-x的CO_(2)吸附性能,建立等温吸附模型,并计算等量吸附热。结果表明:相较于FS,AFS的硅羟基含量更高,孔隙结构更丰富,更适合做嫁接原材料。在60℃,0.1 MPa的吸附条件下,AFS-A-3材料的CO_(2)吸附量较AFS材料的CO_(2)吸附量提高了19.6%,达到0.61 mmol/g,在30℃~70℃的温度范围内,AFS-A-3的吸附性能随温度上升而下降;相同条件下,在低压段(0 MPa~0.015 MPa)AFS-A-3的吸附能力明显高于AFS的吸附能力,说明AFS-A-3在低CO_(2)分压条件下有更高的应用潜力;经过十次吸脱附循环后,AFS-A-3在60℃,0.1 MPa条件下对CO_(2)的吸附量下降了5%;AFS和AFS-A-3的等温吸附曲线可用Langmuir模型较好描述。相比于AFS,嫁接改性的AFS-A-3对CO_(2)的等量吸附热明显增加,据此推断吸附类型由物理吸附主导转变为物理吸附与化学吸附共同作用。

稀土金属有机骨架吸附CO_(2)研究进展

近年来,稀土金属有机骨架(Ln-MOFs)因具有捕获CO_(2)的优势而备受关注。Ln-MOFs因自身镧系离子存在特殊的电子排布而具有一些独特的功能,在气体吸附方面有一定潜能。综述了Ln-MOFs材料吸附CO_(2)的研究进展,介绍了配体选择及吸附结果,总结了提高CO_(2)捕获能力的方法,同时分析了Ln-MOFs材料使用中存在的问题,并对Ln-MOFs未来的发展前景进行了展望。

煤层亚临界/超临界CO_(2)吸附特征与封存模式

大规模高效CO_(2)地质封存是短期内快速实现CO_(2)减排的关键途径之一,以吸附特征为主要封存机制的深部不可采煤层CO_(2)封存具有规模化实施的潜力。为研究深部煤层CO_(2)封存机制,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了高温高压CO_(2)吸附实验,并采用简化局部密度模型(SLD-PR)拟合,分析了温压变化下不同孔隙的吸附相密度分布特征,揭示了以吸附相密度和最大吸附层厚度协同变化为核心的煤层CO_(2)封存机理,最后通过准确划分孔内吸附空间与自由空间,预测了不同埋深下煤层CO_(2)封存量。研究结果表明:(1)不同温度下超临界CO_(2)吸附曲线均表现出典型的超临界气体吸附特征,过剩吸附量(最大值介于1·25~1·75 mmol/g)在达到最大值后下降;(2)孔隙内CO_(2)吸附层分为接触层、内层和过渡层,亚临界CO_(2)在孔内以单分子层吸附为主,而超临界CO_(2)吸附方式为多分子层吸附;(3)最大吸附层厚度随埋深增加而减小,与温度呈正相关,而与压力呈负相关;(4)CO_(2)平均吸附相密度随埋深“先增后减”,总封存量与绝对吸附量曲线在CO_(2)处于超临界状态下存在差异。结论认为:(1)在吸附空间与吸附相密度协变下,煤层CO_(2)微观封存模式随埋深可分为亚临界单分子层吸附、超临界类气态多分子层吸附型以及超临界类液态多分子层吸附3种类型,自由相封存量对总封存量的贡献随埋深增加,但吸附封存仍是煤层CO_(2)封存的主要方式;(2)研究成果揭示了原位煤层超临界CO_(2)封存机理,能够为深部煤层CO_(2)封存能力评价提供新认识。

载胺糖基炭材料吸附CO_(2)机理研究

以葡萄糖为原料制备了一系列糖基炭材料(CMS),并将四乙烯五胺(TEPA)负载到炭材料上,得到载胺糖基炭材料(CMS-xTEPA)用于吸附燃煤烟气中的CO_(2)。研究了TEPA负载量、吸附温度和孔结构对CMS-xTEPA吸附性能的影响,并揭示其吸附机理。结果表明,CMS的CO_(2)吸附能力主要与其微孔孔径和孔容密切关联,介孔结构丰富、孔容较大的炭材料更适合作载胺载体。CMS-xTEPA的CO_(2)吸附能力相较于CMS大幅提高,CMS-xTEPA中胺基与CO_(2)反应生成氨基甲酸酯和氨基甲酸盐类物质,且适宜的吸附温度和TEPA负载量可以提升CMS-xTEPA的CO_(2)吸附能力。CMS-2-30%TEPA在75℃、15%CO_(2)+85%N_(2)气氛下具有较好的CO_(2)吸附性能和良好的循环CO_(2)吸附性能,在5次吸附循环后,仍具有3.04 mmol/g的吸附容量。

SO_(2) 对钾基吸附剂 CO_(2) 吸附性能的影响及机理研究

燃煤电厂尾部烟气经脱硫后,存在的痕量SO_(2) 会导致钾基吸附剂CO_(2)吸附性能恶化。以结晶氯化铝为前驱体,采用溶胶-凝胶法制备K_(2)CO_(3)/Al_(2)O_(3)固体吸附剂,利用固定床反应系统,模拟烟气组分,在含SO_(2) (0、150、250、400 mg/m^(3))气氛下的CO_(2)吸附特性进行了吸附实验,结合BET、XRD表征手段,分析吸附剂孔隙结构和物质组成,采用DFT理论研究了SO_(2) 对K_(2)CO_(3)/Al_(2)O_(3)(0001)吸附剂表面吸附CO_(2)的影响及机理。结果表明,在理想气氛中,钾基吸附剂CO_(2)累积吸附量为1.72 mmol/g,当反应气氛中存在150 mg/m^(3) SO_(2) 时,钾基吸附剂与SO_(2) 发生反应生成K_(2)SO_(3),导致吸附剂的吸附量(1.38 mmol/g)降低了19.77%,SO_(2) 质量浓度增至400 mg/m^(3),钾基吸附剂CO_(2)累积吸附量逐渐降至1.26 mmol/g,吸附剂吸附CO_(2)性能恶化,钾基吸附剂在7次循环后吸附量降为1.1 mmol/g,循环性能变差。CO_(2)、SO_(2) 两种分子在K_(2)CO_(3)/Al_(2)O_(3)(0001)表面吸附位点均为Al-O桥位,H_(2)O分子的吸附位点为O顶位。K_(2)CO_(3)/Al_(2)O_(3)(0001)表面对SO_(2) 的吸附作用大于H_(2)O和CO_(2)。H_(2)O和CO_(2)共吸附时CO_(2)分子中O-s轨道与H-s轨道重叠,使得2者在表面吸附时可以相互促进;SO_(2) 分子由于其S、O原子p轨道活跃,与CO_(2)共吸附时,会优先抢占CO_(2)的吸附位点,抑制CO_(2)在表面的吸附。H_(2)O分子对K_(2)CO_(3)/Al_(2)O_(3)(0001)表面吸附SO_(2) 的促进作用大于CO_(2),H_(2)O的存在会加速SO_(2) 与表面的反应,导致吸附剂表面对CO_(2)吸附能力变差。CO_(2)与H_(2)O共吸附于K_(2)CO_(3)/Al_(2)O_(3)(0001)表面时碳酸化反应机理为H_(2)O分子中H+和OH−,分别与和CO_(2)形成HCO^(-)_(3),反应能垒为1.12 eV,反应热为−1.47 eV。

胺功能化沸石吸附剂载体的结构性质对CO_(2)吸附性能的影响

为了探究胺功能化沸石吸附剂载体的结构性质对其CO_(2)吸附性能的影响并进一步探索出低成本制备高效CO_(2)吸附剂的有效方法,采用不同的后处理方法对MCM–41沸石的孔道结构进行改造,并将四乙烯五胺(TEPA)负载在这些沸石上制备胺功能化吸附剂。利用N_(2)吸脱附、扫描电镜、X射线衍射、红外光谱等方法对沸石载体进行表征,并利用热重分析仪(TGA)对吸附剂的吸附性能进行评价,系统研究了载体的结构性质、活性胺负载量以及吸附温度对CO_(2)吸附性能的影响,计算了吸附剂的吸附动力学和吸附活化能。最后,通过循环吸脱附实验评估了吸附剂的稳定性。结果表明,通过合理设计载体的结构,可以有效提升基于不同吸附原理的吸附剂的CO_(2)吸附性能。微孔沸石对物理吸附过程更有利,而具有宽孔径分布的多级介孔沸石则比微孔沸石在负载TEPA后表现出更好的化学吸附性能。在80℃和15%(体积分数)CO_(2)条件下,经结构改造并负载TEPA的吸附剂(M–N−T60)的最大吸附容量达到4.04 mmol/g。10次吸脱附循环后,其吸附容量仅下降8.4%,表现出良好的循环稳定性能,这表明M–N−T60为一种有望应用于烟气中CO_(2)捕集的吸附材料。

含钛渣制备多孔沸石分子筛吸附剂及其CO_(2)吸附性能

以钒钛磁铁矿高炉冶炼产生的水淬渣为主要原料,经“酸处理-碱熔-水热晶化”制备了多孔沸石分子筛吸附剂(简称吸附剂,下同),采用XRD、SEM、FTIR对吸附剂进行了表征,考察了NaAlO_(2)添加量对吸附剂结构的影响,采用动态吸附法评价了吸附剂的CO_(2)吸附性能,考察了预处理温度、吸附温度和CO_(2)流量对吸附剂的CO_(2)吸附性能的影响,并利用动力学模型进行了数据拟合,分析了其吸附行为。结果表明,随着NaAlO_(2)添加量的增加,水热晶化产物依次完成了“无定形→初步结晶→FAU型→LTA型”沸石分子筛的结构转变;制备的吸附剂(Z-4)经350℃预处理,在吸附温度25℃、CO_(2)流量分别为1.4 mL/min(固定床反应装置)和50 mL/min(同步热分析仪)的条件下,CO_(2)吸附效果最佳,其CO_(2)穿透与饱和吸附量为2.16、3.39 mmol/g;其CO_(2)吸附行为符合拟二级动力学模型,吸附过程由物理和化学吸附共同主导,拟二级动力学模型吸附速率常数为0.0785mmol/(g·s);经5次循环吸附/再生后,其CO_(2)饱和吸附量保持率为96.8%。