吸附法捕集二氧化碳的動態(tài)吸附實驗
一、實驗?zāi)康?/strong>
了解吸附法捕集CO2的原理；掌握碳捕集吸附劑的性能評價方法；掌握動態(tài)吸附實驗裝置的操作原理與使用方法。
二、實驗背景
CO2過量排放會導(dǎo)致全球變暖、海平面上升、土地沙漠化等生態(tài)問題，阻礙人類社會的可持續(xù)發(fā)展。然而隨著工業(yè)化進程加快，人類活動對化石燃料的需求持續(xù)增加，CO2的排放呈現(xiàn)穩(wěn)增不減的趨勢。我國正在積極響應(yīng)國際上關(guān)于碳減排的號召，提出了“碳達(dá)峰·碳中和”政策以促進CO2減排。對于CO2含量高的尾氣，如燃煤發(fā)電過程產(chǎn)生的CO2，碳捕集難度小、成本低；而對于CO2含量低的尾氣，如燃煤電廠煙道氣、石灰窯氣及堿廠碳化尾氣等，CO2分離和富集難度大，碳捕集成本高。基于此，吸附法在捕集低濃度CO2時具有工藝可實現(xiàn)性好、工藝成熟度高、能耗投資低及設(shè)備成本低等有點，因而被認(rèn)為是捕集低濃度CO2極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。
動態(tài)吸附實驗裝置是氣體吸附工藝中評價吸附劑吸附性能的典型方法。如圖1所示。
圖1 CO2動態(tài)吸附實驗裝置
CO2動態(tài)吸附實驗裝置由供氣系統(tǒng)（氣瓶）、混合系統(tǒng)（混合管）、吸附床層、加熱系統(tǒng)和尾氣檢測系統(tǒng)（氣相色譜）組成。原料氣由15%的CO2和85%的N2（體積分?jǐn)?shù)）組成，由氣體色譜分析氣體中CO2的含量。使用沿床柱豎直均布的熱電偶檢測床內(nèi)溫度，纏繞的加熱系統(tǒng)控制平均溫度到定值，壓力表監(jiān)測床柱壓力，分析儀和數(shù)據(jù)采集軟件記錄出口氣體成分，通過調(diào)整質(zhì)量流量控制器、床柱進出口的針閥開度分別調(diào)節(jié)工況的煙氣體積流量、吸附壓力。
三、實驗內(nèi)容與原理
吸附是一種與表面能有關(guān)的表面現(xiàn)象，常分為物理吸附（靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的分子作用）、化學(xué)吸附（靠化學(xué)鍵力作用）和離子交換吸附（靠靜電引力作用）三種類型。影響吸附過程的因素包括吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)、吸附質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、吸附條件（溫度、壓力、時間等）、共存物的競爭吸附等。吸附法是利用固體物質(zhì)表面對氣體或液體分子具有吸著能力的方法。在碳捕集時，使用多孔固體吸附劑進行CO2的定向吸附實現(xiàn)分離，再通過脫附獲得高濃度的CO2。根據(jù)吸附工藝的差異，可分為變壓吸附、變電吸附以及變溫吸附。常用的吸附劑有碳基材料（活性炭、活性碳纖維、碳納米管等）、堿金屬基材料以及固體胺類材料等。
四、實驗裝置及操作流程
（1）啟動準(zhǔn)備
① 檢查實驗裝置和全部電氣連接線有無異常（如管道設(shè)備無破損，活接均已緊固到位等），一切正常后開始操作；
② 檢查氣瓶中氣體余量、減壓閥狀態(tài)，打開氣體濃度測試儀器預(yù)熱。檢查確定氣體氣體流量計前閥門的開啟狀態(tài)；
③ 確定氣體混合管連接處處于密閉狀態(tài)，所有采樣口閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。打開控制箱主電源開關(guān)，檢查溫度表盤顯示是否正常。
（2）系統(tǒng)的啟動與運行
① 使用氦氣吹掃系統(tǒng)5分鐘后，關(guān)閉氦氣進料閥。關(guān)閉吸附床層進料閥。打開氮氣進料閥待其流量穩(wěn)定后緩緩打開二氧化碳進料閥，使其與氮氣的進料比例穩(wěn)定后，用氣袋取樣，并使用氣相色譜分析二氧化碳的濃度，使?jié)舛冗_(dá)到設(shè)定濃度；
② 啟動加熱器開關(guān)，同時開始觀察吸附床層的溫度變化。待其溫度到達(dá)試驗所需設(shè)定值時，可以開始吸附階段；
③ 緩慢打開吸附床層進料閥，使混合原料氣緩慢進入到吸附床層中發(fā)生吸附作用。開啟數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，使用氣相色譜動態(tài)檢測尾氣中二氧化碳的濃度；
④ 數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)通過吸附床層上段的吸附采樣口采樣測定氣體中二氧化碳的濃度(可手動通過氣相色譜或其他檢測儀器進行檢測)；
⑤ 調(diào)節(jié)入口氣體流量、濃度、氣固比等參數(shù)進行試驗，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測定顯示相關(guān)參數(shù)。
（3）系統(tǒng)的停止
① 實驗結(jié)束后，首先關(guān)閉加熱器、關(guān)閉氮氣和二氧化碳，打開氦氣，吹掃5分鐘后檢測尾氣中氮氣和二氧化碳的含量；
② 待尾氣中氮氣和二氧化碳含量降為0后，關(guān)閉氦氣。關(guān)閉氣體檢測系統(tǒng)；
③ 關(guān)閉吸附塔入口管閥，動態(tài)吸附實驗過程結(jié)束；
④ 關(guān)閉主電源開關(guān)。
五、注意事項
（1）電加熱系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)部分管段、管線溫度升高，切記注意安全；
（2）吸附床層出口務(wù)必通過管道連接排放至通風(fēng)櫥；
（3）氣瓶屬于高壓裝置，其使用方法應(yīng)嚴(yán)格按實驗室的相關(guān)安全規(guī)程運行管理。
六、總結(jié)與討論
（1）通過實驗獲得給定溫度和壓力下的二氧化碳吸附穿透曲線；
（2）通過擬合明確活性炭吸附二氧化碳的動力學(xué)模型及吸附動力學(xué)參數(shù)。
