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作者：

刘军

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摘要：

为解决全球变暖问题,CCS(二氧化碳捕集与封存)技术被认为是未来最具潜力的碳减排技术。但是,当前固定源CO2捕集存在再生能耗大、捕集成本高、投资高等难题。同时,即使全球所有的CO2固定排放源均安装CO2捕集装置,且捕集效率达90%,人为产生的CO2仍将有一半直接排放到大气中。因此,为彻底解决全球变暖问题,空气CO2直接捕集成为重要的选择。传统的空气CO2捕集采用热再生方法,再生温度高,占地面积大,捕集成本巨大。针对这些问题,湿法再生技术利用水的蒸发自由能作为能量来源,实现吸附剂再生,无需加热,能耗低,无污染,且不受工业排放源限制,可以更加灵活、方便的利用CO2,节省了运输成本。然而,湿法再生技术的研究仍处于初期阶段,吸附剂种类有限,相关吸附动力学及热力学仍缺乏系统深入的研究。本文以湿法再生技术为基础,采用理论模型与实验研究相结合的方法,对CO2吸附动力学及热力学行为进行系统深入的探究。在各项研究基础上,提出一种集成CO2捕集与综合利用的新途径。本文吸附剂的开发主要以季胺型强碱性阴离子交换树脂为研究对象,采用相转化法制备得树脂粒径分布均匀,表面富含多孔的异相吸附膜材料。同时自制旋转床反应器,搭建CO2吸附实验平台,测试膜材料的CO2吸附性能。针对现有空气CO2捕集动力学表征方法过于简单粗略的问题,构建CO2吸附动力学模型,分析CO2吸附过程中阻力分布,为确定CO2吸附过程中阻力控制环节及吸附剂的优化作指导。采用理论模型与实验研究相结合的方法,系统研究了膜厚、树脂粒径、温度及湿度对CO2吸附动力学的影响。结果表明材料吸附动力学主要受树脂颗粒控制。因此,吸附材料动力学性能的优化应重点考虑树脂颗粒侧的优化,包括多孔树脂的制备及树脂粒径的调整等。减小树脂粒径可显著提高CO2吸附动力学,树脂粒径减小2倍,CO2吸附速率可提高5倍以上。大部分湿度情况下,将树脂粒径由20μm减小到1-2μm,吸附阻力中化学反应阻力所占份额增加到与产物层扩散阻力相当。湿度对CO2吸附过程中扩散及反应均有重要影响,随相对湿度增加,产物层扩散系数及化学反应速率常数呈下降趋势,CO2吸附动力学由扩散控制向反应控制过渡。随温度增加,产物层扩散系数及化学反应速率常数均逐渐增大。树脂粒径减小到5 μm左右时,温度及湿度对CO2吸附动力学的影响减弱。以实验研究为基础,系统分析湿法再生吸附过程中CO2与界面水的耦合作用,探索CO2与H2O吸附过程中传质行为及反应热变化,发现湿法再生CO2吸附过程中存在自冷却现象,并分析自冷却现象产生的原因。得出吸附剂与CO2反应过程中CO2吸附放热量为-57.18 kJ/mol CO2,界面水释放过程中吸热量为47.39kJ/mol H2O,根据所得的结果可计算不同工况时吸附剂与CO2反应的反应热。根据湿法再生吸附-解吸附动力学实验研究,提出一种集成空气CO2捕集与综合利用的新途径。将湿法再生捕集的CO2一部分用于植物工厂促进绿色植物生长,为土地紧缺、条件恶劣的永兴岛地区的居民提供生活保障；另一部分通过F-T合成制备柴油,为来往海洋战舰或飞机的提供燃料保障,所需的能量由永兴岛地区丰富的风能提供,实现能量的自给自足。实验结果表明,永兴岛地区环境中,膜材料的循环吸附容量为0.29 mmol/g.经估算,所捕集的CO2在满足永兴岛居民日常蔬菜生产需求的同时,每天可生产13.55吨柴油。

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关键词：

二氧化碳捕集 空气捕集 吸附材料 湿法再生 动力学 热力学

学位级别：

博士

学位年度：

2016