新型碳捕捉材料的开发分类成技术研究将来发展的重点

文章来源:中国碳排放交易网碳交易网2012-06-18 17:18

  随着全球气候变暖加剧,减少二氧化碳等温室气体排放、保护环境成为当前要解决的全球核心问题之一。实现二氧化碳的减排要经过捕捉、运输、储存、应用、转化等过程,这些过程中捕捉成本约占75% ,甚至更高。目前大多数大排放源的CO2浓度低于15% ,然而小部分(不到2%)基于化石燃料的工业源的CO2排放浓度超过95%。高浓度源是早期实施二氧化碳捕捉和储存技术(CCS)的潜在对象。CO2是引起温室效应的主要气体之一,同时也是一种潜在的碳资源,CO2作为化工原料、致冷剂、油田增产剂、惰性介质、溶剂和压力源等在国民经济各部门有着广泛的用途。因此,各国都在致力于减少燃烧化石燃料的二氧化碳排放量, 目前二氧化碳捕捉技术广泛应用于化工、电厂、汽车制造等行业,但是现阶段二氧化碳捕捉材料的缺点是循环使用性能差、有毒、捕捉效率低、原材料稀缺、能耗高。所以,新型碳捕捉材料的开发成为研究的重点。 内-容-来-自;中_国_碳_0排放¥交-易=网 t an pa i fa ng . c om
  
  1 溶液吸附
  
  溶液吸附主要是利用含有胺基官能团的溶液,通过化学吸收法捕捉CO2,目前常用的吸附剂是醇胺类溶液,包括一级醇胺(如乙醇胺)、二级醇胺(如二乙醇胺和二异丙醇胺)及三级醇胺(如甲基二乙醇胺和三乙醇胺)。这种化学吸收法是利用吸收剂与CO2发生化学反应达到回收CO2的目的,并利用其逆反应进行吸收剂再生。该法CO2脱除率较高,是目前回收CO2最有效的方法之一,并且适合于处理CO2分压低的混合气体。但是,仍有许多缺点限制了该法的使用:胺容易发生氧化降解使得吸收性能降低,同时还会造成溶液粘度增加,不利于气体的传输;胺及其降解物在吸收剂再生时易挥发,使其吸收能力下降;胺溶液的强碱性对仪器设备的腐蚀作用特别严重;操作较为繁琐;再生耗能高 。
  
  2 碱性金属化合物吸附材料 本文@内/容/来/自:中-国-碳^排-放-交易&*网-tan pai fang . com
  
  由于CO2是酸性气体,容易吸附在略带碱性的材料表面。目前主要研究开发的碱性吸附剂有3种:一种是碱性金属氧化物,如Na20、K20、CaO、MgO和A12O3,在高温下金属氧化物均有较好的吸附能力,尤其是氧化铝,当加入碱金属(如Li2O、K2O、Na2O),它在高温下的吸附能力较物理吸附剂可大大提高;二是碱性金属盐,如碳酸钙、硅酸盐、硅酸锂、锆酸锂;三是水滑石类混合物,水滑石含有碱性金属化合物,同时有微孔结构,是一种天然的复合材料,水滑石对二氧化碳的吸附作用引起了人们的研究兴趣 。
  
  3 炭材料吸附
  
  炭材料主要包括活性炭和碳纤维2种材料。
  
  (1)活性炭是一种最常见的黑色大比表面积的孔性吸附剂,其主要成分为无定型碳,还有少量的氢、氧、氮、硫及灰分。原材料、制备工艺和活化方法不同,制得活性炭的理化性质和表面化学性质都会有很大差异。决定活性炭吸附能力大小的主要因素是比表面积大小、孔结构特点、表面性质和吸附质的吸附特性。Song和Yong等研究了几种活性炭类吸附剂在高温下对CO2的吸附性能 ,对于不同种类的吸附剂,CO2的吸附量与活性炭的比表面积和总孔容成正比;而对于同一种吸附剂吸附量与压力成正比,与温度成反比。 本`文@内-容-来-自;中^国_碳0排0放^交-易=网 ta n pa i fa ng . co m
  
  (2)活性碳纤维由有机纤维经炭化、活化而得到,是继活性炭粉末,活性炭颗粒后的第三代炭材料,活性碳纤维较颗粒状活性炭比表面积更发达,微孔直径小(约1 nm),且微孔体积占总孔体积的90%以上,同时直接开口于纤维表面,因而具有吸附容量大、吸附效率高、吸脱附速度快等优点。由于其结构和性能的特殊性,用活性碳纤维吸附空气污染物已成为科研工作者的研究热点,并表现出巨大的应用前景。
  
  4 沸石分子筛吸附
  
  沸石分子筛是天然或人工合成的含碱金属和碱土金属氧化物的结晶硅铝酸盐,有严格的结构和孔隙,孔隙大小因结构差异略有变化,可对不同分子量物质进行分离。沸石分子筛吸附剂常用于气体分离和净化,如空气制氮、CO2的分离与纯化等。它的吸附能力亦随着温度的升高而降低。Lila等研究用ASRT5A分子筛吸附除去太空舱中的CO2。实验表明,温度升高到175℃时吸附量只有25 cc时的24% 。在同样条件下,同为物理吸附的沸石分子筛的吸附量比活性炭高一些 。 内/容/来/自:中-国-碳-排-放*交…易-网-tan pai fang . com
  
  5 介孔材料吸附
  
  法国国家科研中心科学家研制出一种名为MIL一101的新型材料,能大量吸附二氧化碳气体,这种材料有望提升抗全球变暖的能力。这种材料由铬元素和对苯二甲酸合成,是一种多孔的复合纳米材料,材料表面布满了直径为3.5 nm的小孔,因此吸附能力十分强大,体积为1 m的MIL一101在25℃下可以储藏400 m 的二氧化碳。而目前通用的吸附材料在同等条件下的储藏量不过200 m3 ,这种新型材料可以安放在汽车上,对其排出的二氧化碳进行过滤,从而达到减排温室气体的目的。
  
  6 硅胶材料吸附
  
  梅华等比较了2种硅胶型吸附剂的C02吸附性能,测定了N 和CO2在硅胶和活性炭吸附剂上的吸附等温线,并考察了不同体系中CO2动态吸附穿透曲线。结果表明,硅胶吸附剂对CO2的吸附量与活性炭相当,吸附选择性优于活性炭;较大的比表面积和细孔含量高对吸附CO2有利,而合适的孔分布则有利于降低硅胶吸附剂的内扩散阻力。

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  7 复合材料吸附
  
  岳明波、朱建华研究了用介孔分子筛原粉作载体,负载不同有机胺制备CO2吸附材料。固体胺CO2吸附剂通过化学作用,可选择吸附酸性气体CO2,受水蒸气影响较小。采用具有高比
  
  表面积和孔体积的介孔材料为载体,制备的固体胺CO2吸附剂,表现出了高吸附量的特性。特别是保留介孔材料原粉里所含的模板剂胶束,在介孔空间里组成不同尺度的“网孔” 对气流中的CO2进行拦截和吸附,吸附效率较高。
  
  Ravikrishna Chatti等对负载胺类化合物的沸石进行了二氧化碳吸附研究,结果表明,沸石通过负载胺类后CO2吸附能力增加了20% ~30%。这是由于复合材料吸附过程中既发生物理吸附,也发生化学吸附,双重作用具有协同效应。
  
  8 离子液体
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  与传统的有机溶剂不同,离子液体由于蒸气压力低,在脱碳过程中不会产生挥发性有机物,且使用方便。同时离子液体可以反复多次使用 ,在美国能源部化石能源办公室和美国国
  
  家能源技术实验室的共同资助下,Jennifer、王仲妮等进行了多种离子液体的物理特性和CO2吸收机理研究。结果表明,在给定的离子液体中,离子液体对CO2具有更好的选择性;同时发现离子液体具有很高的CO2吸收负荷和更低的再生热需求。
  
  9 碱性离子交换纤维
  
  吴政、崔成民等研究了强碱性离子交换纤维吸附CO2。他们模拟气体吸附、解吸脱附过程,研究发现强碱性离子交换纤维可以较好地吸附CO2气体。对强碱性阴离子交换纤维吸附CO2
  
  气体的各种影响因素的研究表明:含水量的变化对吸附影响最大,含水量大有利于纤维对气体的吸附;气体流速慢有利于纤维对气体的吸附,流速快也能很好地吸附气体,只要不超过某个极限气体的浓度,对纤维的吸附影响较小;交换柱的形状也影响纤维的吸附性能,细长的交换柱要比短粗的好。 本+文内.容.来.自:中`国`碳`排*放*交*易^网 ta np ai fan g.com
  
  10 膜分离技术
  
  膜基吸收法 是膜技术与气体吸收技术相结合的新型膜分离技术。膜基吸收法是膜分离和液体吸收耦合的新型膜分离技术,适合于CO2捕集的膜材料是聚丙烯中空纤维,膜吸收液为活化多胺水溶液,混合气中CO:组分优先通过膜,被多胺水溶液吸收,然后废液经过膜蒸馏再生,其再生率可超过98%。不仅占地面积少,操作条件友好,且中空纤维膜面积大、CO2通过率高、溶液再生率高,使得该法将成为未来CO2捕集技术的发展趋势。
  
  随着人们环保意识的逐渐加强,各个国家对环境保护力度加大,必然会对二氧化碳捕捉材料的发展起到积极的促进作用。近几年,二氧化碳捕捉材料的研究工作已取得了很大进步,二氧化碳捕捉技术正向价廉、操作工艺简单、运行成本低,并且可循环长期使用的方向发展。这就要求二氧化碳捕捉材料必须具有生产原料易得,且价格低廉,生产工艺简单且环保,再生能力好,可循环往复使用等特点,并要求能同时处理二氧化碳、硫化氢、氮的氧化物等多种污染物。这样就使得智能性二氧化碳捕捉材料成为未来发展趋势,新材料能在不同气氛下,根据环境变化,适当调节自身的表面性质,增强吸附性。 本`文@内/容/来/自:中-国^碳-排-放^*交*易^网-tan pai fang. com

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