co2吸附材料的制备及评价毕业设计论文(编辑修改稿)

co2吸附材料的制备及评价毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

存。 但是自 工业革命 以来，人类向大气中排入长生命周期、吸热性强的 温室气体 逐年增加，大气的温室效应也随之增强。 是大气温度显著升高，对地球的理化环境造成的诸多不利的影响。 温室气体主要是二氧化碳、 氯氟烃 （ CFC）、 甲烷 、低空 臭氧 、和 氮氧化物 等气体，其中 CO2是最重要的人为温室气体，在 1970年至 2020年期间， CO2年排放量已经增加了大约 80%，从 210亿吨增加到 380亿吨，在 2020年已占到人为温室气体排放总量的 77%。 在最近的一个十年期 (19952020年 )， CO2当量排放的增加速率 (每年 CO2当量 )比前一个时期 (19701994年 )的排放速率 (每年 CO2当量 )高得多。 排入大气的 CO2主要来自于人类的生产活动， 化石燃料 燃烧排放的大量 CO2对全球变暖的贡献超过了 60%。 据测算 [1]，空气中的 CO2浓度由工业革命前的 280ppm上升到 2020年的369ppm。 过去十年的 CO2浓度年增长率 (19952020)年平均值为每年 ，大于从直接和连续的大气观测开始以来 (19602020年平均值：每年 )的浓度的年均增加值。 预计到 2100年，空气中的 CO2浓度将达到创纪录的 550ppm。 由温室效应带来的全球气候变化给人类带来的危害是空前的，多方面的： 首先，全球气候变暖最直接的变化就是地球两极的温度上升，而且温度上升尤为明显， 在过去的 100年中，北极温度升高的速率几乎是全球平均速率的两倍。 导致两极的冰川加速融化， 自 1961年以来，全球平均海平面上升的平均速率为每年 CO2吸附材料的制备及评价 2 毫米（ ），而从 1993年以来平均速率为每年 （ ），除了冰川、冰帽和极地冰盖的融化为海平面上升做出了贡献外，海洋热膨胀也是海平面上升的原因之一，自 1961年以来的观测表明，全球海洋平均温度升高已延伸到至少 3000米的深度，海洋已经并且正在吸收气候系统增加热量的 80%以上。 自 1993年以来，海洋热膨胀对海平面上升的预估贡献率占所预计的各贡献率之和的 57%，而冰川和冰帽的贡献率则大约为 28%，其余的贡献率则归因于 极地冰盖，海平面的上升威胁着一些低海拔国家与地区的安全，最著名的例子就是旅游胜地马尔代夫深受海平面上升之害，已经着手准备举国迁移。 其次，全球气温变化直接影响全球的水循环，降水重新分布，尤其是中高纬度地区降水增加，对北半球较高纬度地区农业和林业管理的影响，如：农作物春播提前，以及由于林火和虫害造成森林干扰体系变更。 而最近的变暖正在对陆地生物系统产生强烈的影响，包括如下的变化：春季特有现象出现时间提前，如树木出叶，鸟类迁徙和产卵；动植物物种的地理分布朝两极和高海拔地区推移。 根据 20世纪 80年代初以来的卫星观测 ，在许多区域春季已出现植被 “ 返青 ” 提前的趋势，这与近期变暖而使生长季节延长有关。 对于海洋和淡水生物系统，不断升高的水温以及相关的冰盖、盐度、含氧量和环流变化其造成了不同程度的影响，这些变化包括：范围推移以及高纬度海洋中藻类、浮游生物和鱼类的大量繁殖；高纬度和高山湖泊中藻类和浮游动物的大量繁殖；河流中鱼类的活动范围变化和提早洄游。 这些影响结果归结在一起，就是 全球气候变暖影响和破坏了生物链、食物链，导致生态环境遭到破坏，生物生活习性被迫发生改变，最终导致生物物种的灭绝，生物多样性锐减，最终导致自然生态系统的崩溃。 最后， 全球气候变暖对于人类的生存也造成了很恶劣的影响，全球变暖直接导致部分地区夏天出现超高温，使得 欧洲与热浪相关的死亡率急速上升， 心脏病及引发的各种呼吸系统疾病发病率也呈上升趋势， 某些地区的传染病传播媒介的变化，导致对一些地区传染病的暴发无法及时防控，此外，北半球中高纬度地区引起的季节性花粉过敏提早开始并呈增加趋势。 这些不利的影响 每年都会夺去很多人的生命，其中又以新生儿和老人的危险性最大。 另外，全球气候变化导致臭氧浓度增加，低空中的臭氧是非常危险的污染物，会破坏人的肺部组织，引发哮喘或其他肺病。 气温的上 升还使得局部地区人类的传承了几千年的生活方式被迫发生改变，如 对北极地区人类冰雪上的狩猎和旅行活动的影响，以及对低海拔高山地区的某些人类活CO2吸附材料的制备及评价 3 动 (如山地运动 )的造成影响。 除此之外， 有些地区极端天气气候事件出现的频率与强度增加，海岸带湿地和红树林的丧失使 许多地区海岸带洪水造成的损失增加。 为了防止 CO2的继续过量的排放，避免温室效应进一步加剧，世界各国政府，组织和院校做了大量的探索和研究工作，当前公认的主要解决方法有两个方向，一个是清洁能源的开发，可以做到 CO2零排放，从根本上解决温室气体过量排放对环境的影响。 另一 个方面是考虑到当今世界仍然是以化石燃料为主要能源， CO2 的排放还不可避免，由此产生了这样的一个思路，可以通过某种途径将 CO2收集起来，储存到地下煤层、废弃的油井、海底，或者将收集到的 CO2用于化工生产和食品生产，可以产生可观的经济效益，也可用来强化采油以提高油井的出油率。 这些减少CO2排放的途径，受到了世界上许多政府、组织和院校的关注与支持。 研究 CO2吸附剂 的 意义 对于通过何种方式将气态的 CO2高效地 “ 捕捉 ” 住是研究的主要方向。 关键是在于找到吸附效率高，可再生的环境友好型 CO2吸附材料，大量的人 力物力都入到了这方面的科技创新。 目前，虽然已经找到了很多有利用价值的 CO2吸附材料，并在 CO2吸附捕捉方面取得了一定的进展，但是这些材料都还存在不经如人意的地方，如吸附效率还有待提高，尤其是对于低浓度的 CO2，现有的吸附材料吸附效率还比较低，其次无机吸附材料受温度的影响较大，吸附剂制备和使用的成本高也是阻碍其发展的因素之一，这些问题都还有存在进一步的研究。 我国作为世界上最大的 CO2的排放国，但是作为一个责任的大国，在刚刚结束的哥本哈根召开 联合国 气候会议上，我国明确对外宣布 到 2020 年 GDP 的 CO2排放强度下降 40%~45%， 减排压力很大。 我们希望在保持经济快速，稳定发展的同时，还必须兼顾 CO2的减排目标。 很明显仅仅从减少能源消耗，来减少碳排放是不明智的，也是不合理的。 那将会牺牲我们的当前良好的经济发展形势。 CO2 捕捉被公认为是有效解决这一问题的合理途径。 因此，加大 CO2吸附材料的研制，对 CO2的吸附机理深入探索，对 CO2吸附材料做出的科学全面的评价是完善吸附剂的必经之路。 同时能够 促进我国低碳经济的发展。 因此，开展 CO2吸附材料的制备和评价的研究工作在科研、经济、教育等多方面均具有很大的现实意义。 CO2吸附材料的制备及评价 4 当前主要 CO2吸附 材料 的介绍 吸附剂和吸附作用 任何具有吸附作用的物质都可以叫做吸附剂，但一般是把能吸附气体或液体的物质叫做吸附剂。 吸附剂一般有以下特点：大的比表面、适宜的孔结构及表面结构；对吸附质有强烈的吸附能力；一般不与吸附质和介质发生化学反应。 制造方便，容易再生；有良好的机械强度等。 吸附剂可按孔径大小、颗粒形状、化学成分、表面极性等分类，如粗孔和细孔吸附剂，粉状、 粒状、条状吸附剂，碳质和氧化物吸附剂，极性和非极性吸附剂等。 常用的吸附剂有以碳质为原料的各种活性炭吸附剂和金属、非金属氧化物类吸附剂 (如硅胶、氧化铝、分子筛、天然黏土等 )。 衡量吸附剂的主要指标有：对不同气体杂质的吸附容量、磨耗率、松装堆积密度、比表面积、抗压碎强度等。 用于滤除毒气，精炼石油和植物油，防止病毒和霉菌，回收天然气中的汽油以及食糖和其他带色物质脱色等。 吸附作用 [2]又称吸着作用，是指在固相 ― 气相、固相 ― 液相、固相 ― 固相、液相 ― 气相、液相 ― 液相等体系中两相交界面上物质分子浓度自动发生变化 (与本体相 不同 )的现象。 吸附分离是基于气体与吸附剂表面上活性点之间的分子间引力来实现的。 CO2 的吸附分离就是在填充吸附材料的滤床内进行的，利用固态吸附剂活性炭、活性炭纤维、沸石分子筛、活性氧化铝等对原料混合气中的 CO2进行有选择性的可逆吸附作用来分离的技术。 活性炭类吸附剂 活性炭类吸附剂包括活性炭和活性碳纤维两种，其中活性炭又可以分为粉状活性炭（ PAC）和粒状活性炭（ GAC）两类，而活性碳纤维是继 PAC 和 GAC 之后的第三代活性炭产品 （ AC） 活性炭是由木炭、果壳、煤等含碳原 料经炭化、活化后制成。 活性炭是一种优良的吸附剂，具有高的比表面积，通常为 900~2020m2/g，具有发达的不规则中孔及微孔，其孔径在 102 105nm之间，具有非极性表面的疏水亲油吸附剂，吸附容量很大，在燃气存储、气体分离、催化反应等方面具有巨大的应用潜力。 作为 CO2的吸附剂，活性炭在常温下吸附性能优良，但由于是物理吸附，温度升高时其吸附性能下降很快，难以应用在烟道气中 CO2的富集领域。 活性炭的活化方法可分为两大类，CO2吸附材料的制备及评价 5 即药剂活化法和气体活化法。 药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气 氛中加热进行炭化和活化。 气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在 700℃ 以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在 700~1200℃ 温度范围内进行反应使其活化。 活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。 活性碳纤维（ ACF） 活性炭纤维是一种吸附分离功能纤维 [3]，类具有吸附、脱附功能的纤维状吸附剂。 根据吸附行为特征，吸附分离功能纤维还包括化学吸附纤维（离子交换纤维、鳌合纤维 )、氧化还原纤维，以及中空纤维膜等几类。 活性炭纤维 [4]中经活化生成的空隙中 90%以上为微孔，这就为活性炭纤维提供了巨大的比表面积，一般达到 1000~3000m2/g，且微孔孔径绝大部分相近。 活性炭纤维的孔结构特点是，没有过渡孔和大孔 (按 IUPAC 分类， 2nm 以下的孔为微孔，2~50nm 为中孔， 50nm 以上为大孔 )，孔径分布狭窄而均匀，在零点几纳米至几纳米范围内，而且孔是单分散。 活性炭纤维的主要化学成分是碳，此外还有少量氢和氧等元素，采用特殊的纤维原料或特殊制备工艺，可以在活性炭纤维表面引进 N， S等杂原子，还可采用金属氯化物或硝酸盐溶液浸渍等方法在活性炭纤维表面引进各种金属化合物。 活 性炭纤维的表面有一系列活性官能团，主要是含氧官能团。 如轻基、竣基、毅基、内酯基等。 有的活性炭纤维还含有胺基、亚胺基及琉基等官能团。 活性碳纤维的吸附特性有： ① 吸附容量大：活性炭纤维具有发达的微孔结构，各种污染物在活性炭纤维表面以多段微孔填充的方式迅速、稳定地聚集于活性炭纤维微孔内，因而吸附量大。 ② 吸附脱附速度快：对气体的吸附一般能在数十秒或几分钟达到平衡。 ③ 可脱附再生性强 [5]：脱附所需条件缓和，且速度快。 用 10%的 NaOH溶液再生吸附饱和的活性炭纤维，试验表明，吸附容量几乎不变，再生后的活性炭纤维几乎无损 失。 ④ 对低浓度物质的吸附能力特别优良：活性炭在甲苯浓度低于0. 01%时基本失去吸附能力，而活性炭纤维在 0. 001%浓度下仍达到较好效果。 活性碳纤维凭借其优良的吸附特性，被广泛应用在空气净化，如减少空气中臭氧、烟气对人体的危害；溶剂回收；水的净化；可制成防辐射用品、服装等；用于生理用品、蔬菜水果保鲜等，许多应用方面还有待于进一步的开发。 另外活性炭纤维及其织物还还表现出很好的导电性。 沸石分子筛 CO2吸附材料的制备及评价 6 沸石分子筛 [6]是天然或人工合成的含碱金属或碱土金属氧化物的结晶硅铝酸盐，以 SiO2和 A12O3为 主要成分，是一类具有一定骨架结构的微孔晶体材料。 一般将天然的分子筛称为沸石 (zeolite)，人工合成的称为分子筛 (molecularsieve)，两者的化学组成和分子结构并无本质差异，故通常混称为沸石分子筛。 其化学组成通式为： [M2+(Ⅰ)M (Ⅱ)]O178。 Al 2O3178。 nSiO 2178。 mH 2O，式中 M2+(Ⅰ) 和 M(Ⅱ) 分别为一价和二价金属离子，多半是钠和钙， n称为沸石的硅铝比，硅主要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自铝酸钠和 Al(HO)3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后便成沸石，一般 n=2~10， m=0~9。 沸石分子筛是优良的吸附剂，对于直径、形状、极性、不饱和度等不同的分子有选择性吸附能力。 沸石分子筛有严格的结构和孔隙，具有强的吸附能力，可以将比孔径小的物质分子通过孔道窗口吸附到孔道内部，比孔径大的物质分子则排斥在外面，其作用就像筛子一样把大小不同的分子区分开来。 根据分子筛晶型和组成的硅铝比 (即 SiO2与 A12O3的摩尔比， m)不同，可分为 A、 X、 L、 Y型分子筛。 作为 CO2的吸附剂，常用的有 5A、 13X 等。 沸石分子筛吸附 CO2也属于物理吸附，温度升高时很难满中实际需要。 另外沸石分子筛极性较强， 对水分的吸附很强烈，再生时能耗很大，且与 CO2形成竞争吸附，因此，更难应用在烟道气中。 活性氧化铝 作为吸附剂的氧化铝，通常称为活性氧化铝 (activated aluminum oxide)，是由氢氧化铝在脱水温度不超过 600 ℃ 时锻烧得到的产品。 这类氧化铝分子中存在大量的羟基，可以用化学式 A12O3178。 nH 2O（ 0n )表示。 一般来说，它们的比表面和孔容都较大，都具有 “ 活性 ” ，故称为活性氧化铝。 狭义上活性氧化铝特指 γ相氧化铝 [7]。 活性氧化铝有大的比表面和丰富的孔性结构，有较好的热稳定 性，表面的两性物质，表面带电性质均使其对某些物质有良好的吸附能力，广泛用于炼油、化肥、石油化工等领域，作为干燥剂、催化剂或其载体。 氧化铝表面羟基浓度是常见金属和非金属氧化物中 (如硅胶、氧化锌、二氧化钛、三氧化二铁等 )最高的，极性气体在三氧化二铝的毛细孔中发生毛细凝结，可大大提高吸附量，并使等温吸附线表现为 Ⅱ 型。 黏土 黏土 (clay)是岩石经风化而形成的具有一定晶体结构的天然矿物质。 黏土的成CO2吸附材料的制备及评价 7 分和结构都十分的复杂，其中有些较大的比表面和孔隙结构，可认为天然吸附剂和离子交换剂。 因其成本低廉，故在一些 工业部门中广泛应用。 黏土矿物的分类没有统一规则。 Obhapehko 等根据黏土矿物的晶体结构特点将其分为三类： ① 有膨胀晶格的层状矿物，此类黏土有较丰富的孔隙结构和较大的比表面，有较好的吸附和离子交换能力，此类黏土的代表石蒙脱土。 ② 有纤维状层带晶体结构的矿物，此类黏土微孔较少，为提高其吸附能力需进行活化，代表性黏土有海泡石 (sepiolite)、石棉 (mountain cork)、凹凸棒土 (attapulgite)等。 ③ 刚性晶格的层状矿物，此类黏土晶层间隙小，水和极性分子不能进入，无膨胀化，无微孔，比表面小。 代 表品种有高岭。