發(fā)布時(shí)間：2017-07-04 04:21

  本文關(guān)鍵詞：胺改性工業(yè)級(jí)碳納米管吸附分離煙道氣中二氧化碳的研究

  更多相關(guān)文章： 二氧化碳 吸附 四乙烯五胺 聚乙烯亞胺 碳納米管 金屬有機(jī)框架 MIL-101 動(dòng)力學(xué)模型

【摘要】：大氣中二氧化碳濃度不斷升高導(dǎo)致溫室效應(yīng)及氣候變化,CO2捕集與封存技術(shù)是目前碳減排最直接有效的手段之一。吸附法以其能耗低、腐蝕小及易實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)操作等優(yōu)點(diǎn)而被視為是一種極具應(yīng)用前景的CO2捕集分離技術(shù)。煙道氣中的CO2為大氣中CO2的主要來(lái)源,因此如何從煙道氣中吸附分離CO2成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)高效捕集煙道氣中的CO2,本論文通過(guò)有機(jī)胺改性工業(yè)級(jí)碳納米管(IG-MWCNTs),在模擬煙道氣條件下對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附CO2研究,優(yōu)選出具有高吸附容量的吸附劑,并得到了相關(guān)的吸附/脫附動(dòng)力學(xué)參數(shù),同時(shí)考察了煙道氣中雜質(zhì)氣體對(duì)吸附過(guò)程的影響。此外,本文還考察了有機(jī)金屬骨架(MOFs)MIL-101(Cr)在模擬煙道氣條件下捕集CO2來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究。研究了四乙烯五胺(TEPA)改性工業(yè)級(jí)碳納米管和純碳納米管(P-MWCNTs)來(lái)提高CO2吸附性能,發(fā)現(xiàn)前者的吸附能力與后者相當(dāng),但成本只有后者的十分之一。研究了多種聚乙烯亞胺(PEI)改性IG-MWCNTs的CO2吸附行為,發(fā)現(xiàn)乙二胺封端的聚乙烯亞胺(PEI-EC)改性IG-MWCNTs表現(xiàn)出更好的CO2吸附性能。胺改性IG-MWCNTs的固態(tài)吸附劑保持了原有的形貌和結(jié)構(gòu),吸附劑的比表面積及孔容隨著浸漬量的增加而逐漸減小。CO2吸附量隨著浸漬量的增加先升高后下降,存在最佳浸漬量,當(dāng)TEPA浸漬量為50 wt%或PEI浸漬量為40 wt%時(shí)吸附量最大。CO2吸附量隨著吸附溫度的升高先增加后下降,TEPA改性IG-MWCNTs在343K時(shí)達(dá)到最大吸附量,為3.088 mmol/g,在實(shí)際煙道氣溫度(313-343 K)條件下,其吸附量均大于2.5 mmol/g; PEI-EC改性IG-MWCNTs的最佳吸附溫度為343 K,其CO2吸附量為2.538 mmol/g, TEPA改性IG-MWCNTs的CO2吸附量明顯高于PEI-EC改性。TEPA改性IG-MWCNTs的CO2吸附等溫線與Freundlich方程有較高的相關(guān)性,吸附熱隨著吸附量的增加而下降。研究了TEPA改性IG-MWCNTs的CO2吸附/脫附動(dòng)力學(xué)并深入探討其機(jī)理。利用四個(gè)動(dòng)力學(xué)模型評(píng)估了不同吸附溫度、CO2分壓及胺負(fù)載量條件下的CO2吸附行為,發(fā)現(xiàn)Avrami分?jǐn)?shù)階動(dòng)力學(xué)模型是描述CO2吸附行為的最佳模型。為了找到最佳的脫附方法,本文嘗試了三種脫附再生方法,N2-striping結(jié)合變溫吸附(TSA-N2-striping)、真空變溫吸附(VTSA-N2-striping)以及N2-striping結(jié)合真空變溫吸附(TSA-N2-striping)再生。由Arrhenius方程得到了CO2吸附/脫附活化能Ea,Ea隨著CO2濃度的升高而增大,表明CO2在TEPA改性IG-MWCNTs的吸附為內(nèi)擴(kuò)散控制；同時(shí),由于真空泵能量的輸入,VTSA的Ea小于TSA,結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)的可行性,VTSA為最佳的再生方式。TEPA改性IG-MWCNTs的CO2吸附和脫附活化能Ea和Ea(des)分別為-7.353及46.931 kJ/mol, PEI改性IG-MWCNTs的分別為-14.622及88.337 kJ/mol,前者的絕度值Ea/Ea(des)小于后者,表明更高的勢(shì)壘導(dǎo)致PEI-EC改性IG-MWCNTs更難的吸附/解吸。研究了在微量煙道氣雜質(zhì)氣體(H2O、NO和SO2)存在的條件下TEPA改性IG-MWCNTs的CO2吸附行為。結(jié)果表明,H2O和NO對(duì)于CO2的吸附影響較小,而SO2的影響受吸附溫度和SO2濃度的影響。對(duì)比硅基吸附劑(MCM-41由TEPA改性),TEPA改性IG-MWCNTs表現(xiàn)出較高的抗H2O和SO2的性能。本文用實(shí)驗(yàn)方法和分子模擬方法解釋了存在和不存在SO2情況下CO2吸附行為差異的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沉積在吸附劑表面的不可逆分解的硫酸鹽/亞硫酸鹽是導(dǎo)致CO2吸附量下降的原因；計(jì)算結(jié)果表明SO2與TEPA的焓變明顯高于CO2與TEPA的,因此產(chǎn)生更高的反應(yīng)活性,導(dǎo)致了SO2更容易與TEPA發(fā)生反應(yīng)。MIL-101(Cr)相比于其他MOFs材料具有較高的穩(wěn)定性,所以我們選用MIL-101(Cr)作為參考對(duì)比。本論文將三種微量煙道氣雜質(zhì)氣體(H2O、NO和SO2)添加至10vol%的CO2/N2氣流,發(fā)現(xiàn)三種雜質(zhì)氣體對(duì)MIL-101(Cr)的CO2吸附性能影響很小。在328 K及N2流量為50 cm3/min,或在348 K真空度20Kpa的條件下脫附10 min, MIL-101((Cr)均可再生。經(jīng)過(guò)5個(gè)吸附/脫附循環(huán)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在10vo1%的CO2、100ppm的SO2、100ppm的NO以及10%的相對(duì)濕度下,依然保留了約95%的吸附能力。但是MIL-101(Cr)的CO2吸附量較低,在298 K時(shí)達(dá)到最大值0.495 mmol/g,且隨著溫度升高而下降,尚不能滿足煙道氣條件下吸附分離CO2。
【關(guān)鍵詞】：二氧化碳 吸附 四乙烯五胺 聚乙烯亞胺 碳納米管 金屬有機(jī)框架 MIL-101 動(dòng)力學(xué)模型
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X701
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-19
• 縮寫、符合清單和術(shù)語(yǔ)表19-24
• 1. 緒論24-54
• 1.1. CO_2排放與減排25-26
• 1.2. CO_2捕集、封存及利用26-31
• 1.2.1. CO_2捕集26-28
• 1.2.2. CO_2封存28-29
• 1.2.3. CO_2再利用29-31
• 1.3. CO_2的捕集分離方法31-35
• 1.3.1. 吸收分離法31-32
• 1.3.2. 吸附分離法32-33
• 1.3.3. 膜分離法33-34
• 1.3.4. 低溫蒸餾法34
• 1.3.5. 化學(xué)鏈燃燒法34-35
• 1.4. CO_2吸附劑35-36
• 1.4.1. 高溫CO_2吸附劑35
• 1.4.2.中溫C02吸附劑35-36
• 1.4.3. 低溫CO_2吸附劑36
• 1.5. 低溫CO_2吸附劑36-47
• 1.5.1. 物理吸附劑38-43
• 1.5.2. 化學(xué)吸附劑43-47
• 1.6. CO_2吸附的技術(shù)挑戰(zhàn)及初步工業(yè)化嘗試47-50
• 1.6.1. 技術(shù)挑戰(zhàn)47-48
• 1.6.2. 工業(yè)化初步嘗試48-49
• 1.6.3. 未來(lái)的方向49-50
• 1.7. 研究思路50-54
• 1.7.1. 研究目的50
• 1.7.2. 研究路線50-51
• 1.7.3. 研究?jī)?nèi)容51-54
• 2. 胺改性工業(yè)級(jí)多壁碳納米管吸附CO_2的基礎(chǔ)研究54-72
• 2.1. 實(shí)驗(yàn)部分55-60
• 2.1.1. 實(shí)驗(yàn)儀器試劑55-57
• 2.1.2. 吸附劑制備57
• 2.1.3. 吸附劑表征57-58
• 2.1.4. CO_2吸附實(shí)驗(yàn)58-60
• 2.2. 結(jié)果與討論60-70
• 2.2.1. 吸附劑的表征60-64
• 2.2.2. 吸附劑的吸附行為64-70
• 2.3. 小結(jié)70-72
• 3. 胺改性工業(yè)級(jí)碳納米管的CO_2吸附/脫附動(dòng)力學(xué)研究72-92
• 3.1. 實(shí)驗(yàn)部分72-74
• 3.1.1. 實(shí)驗(yàn)儀器試劑72
• 3.1.2. 吸附劑制備72
• 3.1.3. 吸附/脫附測(cè)試72-73
• 3.1.4. 吸附/脫附動(dòng)力學(xué)模型73-74
• 3.2. 結(jié)果與討論74-91
• 3.2.1. 吸附動(dòng)力學(xué)74-86
• 3.2.2. CO_2脫附86-91
• 3.3. 小結(jié)91-92
• 4. 煙道氣中雜質(zhì)氣體對(duì)胺改性多壁碳納米管捕集CO_2的影響92-108
• 4.1. 實(shí)驗(yàn)部分93-94
• 4.1.1. 實(shí)驗(yàn)儀器試劑93
• 4.1.2. 吸附劑制備93
• 4.1.3. 吸附劑表征93
• 4.1.4. 模擬方法93-94
• 4.2. 結(jié)果與討論94-105
• 4.2.1. H_2O和NO對(duì)于CO_2吸附的影響94-95
• 4.2.2. SO_2對(duì)于CO_2吸附的影響95-99
• 4.2.3. 吸附劑的表征99-102
• 4.2.4. 計(jì)算模擬102-105
• 4.3. 小結(jié)105-108
• 5. 聚乙烯亞胺改性工業(yè)級(jí)碳納米管捕集CO_2的研究108-120
• 5.1. 實(shí)驗(yàn)部分108-109
• 5.1.1. 實(shí)驗(yàn)儀器試劑108
• 5.1.2. 吸附劑制備108-109
• 5.1.3. 吸附劑表征109
• 5.1.4. CO_2吸附/脫附測(cè)試109
• 5.1.5. 吸附/脫附動(dòng)力學(xué)模型109
• 5.2. 結(jié)果與討論109-118
• 5.2.1. 吸附劑表征109-111
• 5.2.2. 吸附劑的吸附行為111-115
• 5.2.3. CO_2脫附115-118
• 5.2.4. 吸附劑再生性能118
• 5.3. 小結(jié)118-120
• 6. MIL-101(Cr)吸附CO_2的研究120-132
• 6.1. 實(shí)驗(yàn)部分121-122
• 6.1.1. 實(shí)驗(yàn)儀器試劑121
• 6.1.2. MIL-101(Cr)制備121-122
• 6.1.3. MIL-101(Cr)表征122
• 6.1.4. 吸附/解吸實(shí)驗(yàn)122
• 6.2. 結(jié)果與討論122-130
• 6.2.1. MIL-101(Cr)的表征122-124
• 6.2.2. 吸附行為124-130
• 6.3. 小結(jié)130-132
• 7. 結(jié)論、創(chuàng)新與展望132-138
• 7.1. 結(jié)論132-135
• 7.2. 創(chuàng)新135
• 7.3. 工作展望135-138
• 參考文獻(xiàn)138-160
• 作者簡(jiǎn)歷及攻讀博士期間主要成果160-162

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 Qing Liu;Yao Shi;Shudong Zheng;Liqi Ning;Qing Ye;Mengna Tao;Yi He;;Amine-functionalized low-cost industrial grade multi-walled carbon nanotubes for the capture of carbon dioxide[J];Journal of Energy Chemistry;2014年01期

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本文編號(hào)：516334