Page 89 - 《精细化工》2022年第8期
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第 8 期                        温   翯，等:  燃烧后二氧化碳捕集技术与应用进展                                 ·1589·


            了其对 CO 2 吸附性能。结果表明，复合材料的吸                          是一种具有较大潜力和应用前景的低能耗碳捕集
            附能力明显高于 UiO-66 样品，在 298 K 和 100 kPa                技术。目前，固体吸附剂的研究重点主要基于新
            时吸附容量为 3.37 mmol/g，比 UiO-66 增加了                    型高效复合吸附剂的开发，离真正实现工业应用
            48%。GAIKWAD 等       [36] 采用聚乙烯亚胺（PEI）、             还有较大差距，依然面临着较多的技术挑战，如：
            四乙烯五胺（TEPA）和二乙烯三胺（DETA）对                           对于大型排放源的燃烧后捕集，还存在捕集能力
            MOF-177 进行了胺基功能化改性，大幅提高了                           或选择性较低，成本较高、动力学较慢和对水分
            MOF-177 在低压（＜100 kPa）下的 CO 2 吸附能力，                 敏感等问题。因此，在固体吸附剂技术工业化之
            测试结果表明，采用负载量 20% TEPA 改性的                          前，还需要对固体吸附剂的性能提升和工艺设计
            MOF-177 在 25  ℃，100 kPa 下的吸附容量比未改                  进行更多的研究，探索新的、廉价的、能够在真
            性前提高了 4.8 倍；温度升高至 328 K，吸附容量                       实的烟气环境中可靠的、大量循环运行的高效吸
            为 4.6 mmol/g。MA 等     [37] 分别采用硅藻土、固体              附剂和工艺技术，以实现经济高效的碳捕集需求。
            SiO 2 和气相 SiO 2 作为硅前驱体合成了 3 种 Li 4SiO 4
            粉末，筛选得到气相 SiO 2 制备的 Li 4SiO 4 粉末在                  3   膜分离法
            20 次循环反应中的平均吸附容量为 8.4 mmol/g，                          膜分离法主要是根据薄膜材料对不同气体分
            具有较高的吸附性能；同时采用气相 SiO 2 制备的
                                                               子的溶解度和扩散速率不同，导致相对渗透率的
            Li 4SiO 4 粉末，以聚乙烯为造孔剂，通过挤出滚圆
                                                               差异，进而对某种特定气体进行分离。在膜分离
            技术制备了球形 Li 4SiO 4 颗粒。结果表明，球形颗
                                                               过程中，分离膜两侧的气压差是推动气体分离的主
            粒在 40 个实验循环中的 CO 2 吸附能力基本稳定
                                                               要驱动力，当两侧压力差达到一定程度时，相对渗
            在 7.0 mmol/g，并具有出色的抗压强度（煅烧后
                                                               透率大的气体会从高压力侧优先通过分离膜到达
            27.5 MPa）和优异的耐磨性（10 h 磨损实验中质
                                                               低压力侧，而渗透率低的气体则会滞留在高压侧。
            量损失率仅为 1.01%）。
                                                               3.1   膜材料分类
                 目前，对于固体吸附技术的放大应用还主要
                                                                   膜材料根据材质可分为聚合物膜、无机膜及
            处于中试研究阶段。2000~2007 年，美国能源部
                                                               混合基质膜。聚合物膜种类繁多，具有优异的成
            资助了路易斯安那州立大学、美国三角研究所和
                                                               膜能力和可加工性，易大面积制造，是目前发展
            切奇杜威公司 3 家研究机构，进行碱金属基吸附                            最快，使用最为广泛的膜分离材料之一。聚合物
            剂的中试研究       [42] 。韩国能源研究所于 2003 年搭                膜材料又可进一步分为橡胶态（高于玻璃化转变
                                    3
            建了气体处理量为 2 Nm （标立方）/h                [43] 的小型
                                                               温度的聚合物）聚合物膜和玻璃态（低于玻璃化
            连续变温吸附（TSA）碳捕集装置，随后经过几
                                                               转变温度的聚合物）聚合物膜。橡胶态聚合物膜
            次规模放大，分别于 2010 年和 2014 年在 Hadong                   以有机硅橡胶为代表，常见的有天然橡胶、聚 4-
                                                   3
            燃煤电站搭建了烟气处理量为 2000 Nm /h〔0.5                       甲基-1-戊烷、聚二甲基硅氧烷等，其特点是分子
            MWe（兆瓦电力）级别〕            [44] 的变温吸附中试装置             链较为柔软灵活，气体渗透性能较好，但缺点是
                         3
            和 35000 Nm /h（10 MWe 级别）         [45] 的示范系统        CO 2 分离选择性较低，单独使用时分离效果较差，
                       ®
            KIERDARY 。该示范系统采用钾基吸附剂，共进
                                                               且在高压下容易形变膨胀；玻璃态聚合物膜因分
            行了 3400 h 的累积运行和 1000 h 的连续运行，可
                                                               子链堆砌紧密、移动性差，使材料成膜后对于气
            实现大于 80%的 CO 2 捕集率和 95%的 CO 2 纯度。                  体的选择性较高，被广泛应用于商用膜系统。常见
            ZHANG 等    [46] 采用固体胺吸附剂（聚乙烯亚胺浸
                                                               的聚合物材料包括聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚酰亚
            渍介孔二氧化硅载体），在鼓泡流化床反应器上采
                                                               胺和聚砜等，其渗透性与选择性如表 4 所示。
            用模拟烟道气进行了连续脱碳实验。结果表明，
            制备的吸附剂的再生热为 2360 J/g CO 2，远低于                            表 4   常见聚合物膜的渗透性与选择性           [16]
            典型的 MEA 吸收工艺。因此，固体吸附分离技                            Table 4    Permeability and selectivity of common polymer
                                                                      membranes [16]
            术是最有可能实现低能耗碳捕集的有效方法之
                                                                     类别         CO 2 渗透性/bar    CO 2/N 2 选择性
            一。但同时有研究表明，与液胺吸收法相比，只
                                                                 聚丙烯酸酯膜             5~85           10~30
            有当固体吸附剂的工作吸附量≥3 mmol/g 时，吸                           聚碳酸酯膜              5~110          15~26
            附剂捕集系统才可将捕集能耗降低 30%~50%                    [47] 。    聚酰亚胺膜              5~450           5~55
                 综上，对比化学吸收法，固体吸附分离技术                             聚砜膜                5~110          10~33
   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94