吸附法捕集二氧化碳的動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?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(píng)價(jià)方法；掌握動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)裝置的操作原理與使用方法。
二、實(shí)驗(yàn)背景
CO2過(guò)量排放會(huì)導(dǎo)致全球變暖、海平面上升、土地沙漠化等生態(tài)問(wèn)題，阻礙人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。然而隨著工業(yè)化進(jìn)程加快，人類活動(dòng)對(duì)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(shì)。我國(guó)正在積極響應(yīng)國(guó)際上關(guān)于碳減排的號(hào)召，提出了“碳達(dá)峰·碳中和”政策以促進(jìn)CO2減排。對(duì)于CO2含量高的尾氣，如燃煤發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生的CO2，碳捕集難度小、成本低；而對(duì)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�；诖�，吸附法在捕集低濃度CO2時(shí)具有工藝可實(shí)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(diǎn)，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(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)裝置是氣體吸附工藝中評(píng)價(jià)吸附劑吸附性能的典型方法。如圖1所示。
圖1 CO2動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)裝置
CO2動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)調(diào)整質(zhì)量流量控制器、床柱進(jìn)出口的針閥開(kāi)度分別調(diào)節(jié)工況的煙氣體積流量、吸附壓力。
三、實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)間等）、共存物的競(jìng)爭(zhēng)吸附等。吸附法是利用固體物質(zhì)表面對(duì)氣體或液體分子具有吸著能力的方法。在碳捕集時(shí)，使用多孔固體吸附劑進(jìn)行CO2的定向吸附實(shí)現(xiàn)分離，再通過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置及操作流程
（1）啟動(dòng)準(zhǔn)備
① 檢查實(shí)驗(yàn)裝置和全部電氣連接線有無(wú)異常（如管道設(shè)備無(wú)破損，活接均已緊固到位等），一切正常后開(kāi)始操作；
② 檢查氣瓶中氣體余量、減壓閥狀態(tài)，打開(kāi)氣體濃度測(cè)試儀器預(yù)熱。檢查確定氣體氣體流量計(jì)前閥門(mén)的開(kāi)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(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。打開(kāi)控制箱主電源開(kāi)關(guān)，檢查溫度表盤(pán)顯示是否正常。
（2）系統(tǒng)的啟動(dòng)與運(yùn)行
① 使用氦氣吹掃系統(tǒng)5分鐘后，關(guān)閉氦氣進(jìn)料閥。關(guān)閉吸附床層進(jìn)料閥。打開(kāi)氮?dú)膺M(jìn)料閥待其流量穩(wěn)定后緩緩打開(kāi)二氧化碳進(jìn)料閥，使其與氮?dú)獾倪M(jìn)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(dòng)加熱器開(kāi)關(guān)，同時(shí)開(kāi)始觀察吸附床層的溫度變化。待其溫度到達(dá)試驗(yàn)所需設(shè)定值時(shí)，可以開(kāi)始吸附階段；
③ 緩慢打開(kāi)吸附床層進(jìn)料閥，使混合原料氣緩慢進(jìn)入到吸附床層中發(fā)生吸附作用。開(kāi)啟數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，使用氣相色譜動(dòng)態(tài)檢測(cè)尾氣中二氧化碳的濃度；
④ 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)通過(guò)吸附床層上段的吸附采樣口采樣測(cè)定氣體中二氧化碳的濃度(可手動(dòng)通過(guò)氣相色譜或其他檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè))；
⑤ 調(diào)節(jié)入口氣體流量、濃度、氣固比等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測(cè)定顯示相關(guān)參數(shù)。
（3）系統(tǒng)的停止
① 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先關(guān)閉加熱器、關(guān)閉氮?dú)夂投趸�，打開(kāi)氦氣，吹掃5分鐘后檢測(cè)尾氣中氮?dú)夂投趸嫉暮浚?br /> ② 待尾氣中氮?dú)夂投趸己拷禐?后，關(guān)閉氦氣。關(guān)閉氣體檢測(cè)系統(tǒng)；
③ 關(guān)閉吸附塔入口管閥，動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)束；
④ 關(guān)閉主電源開(kāi)關(guān)。
五、注意事項(xiàng)
（1）電加熱系統(tǒng)啟動(dòng)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(guò)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(shí)驗(yàn)室的相關(guān)安全規(guī)程運(yùn)行管理。
六、總結(jié)與討論
（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得給定溫度和壓力下的二氧化碳吸附穿透曲線；
（2）通過(guò)擬合明確活性炭吸附二氧化碳的動(dòng)力學(xué)模型及吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)。