变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展_徐冬
CO2和H2O在活性炭上的吸附平衡和吸附动力学研究
CO2和H2O在活性炭上的吸附平衡和吸附动力学研究徐冬;张军;李刚;XIAOPenny;WEBLEYPaul;翟玉春【摘要】活性炭是应用在变压吸附分离CO2工艺中的常用吸附剂,而工业废气中一般都含有一定量的饱和水蒸气.通过吸附等温线和穿透曲线分别研究了单/双组份的CO2和H2O在活性炭上的吸附平衡和吸附动力学.结果表明,活性炭对二氧化碳具有较高的吸附量,并具有较好的CO2/N2吸附选择性.由于吸水官能团的存在,活性炭在较高分压下表现出较大的水蒸气吸附量.不过由于吸附机理不同,水蒸气在活性炭上的吸附几乎不会影响活性炭对CO2的吸附.动力学研究表明,CO2在活性炭上的吸附速率远大于H2O的吸附速率.%Activated carbon is well applied in pressure swing adsorption process for CO2 capture. The real flue gas contains saturated water vapor as well. In this study, single and binary components adsorption equilibrium and kinetics of H2O/CO2 were studied according to their adsorption isotherms and breakthrough curves. Results showed that activated carbon could adsorb high amount of CO2 and low amount of N2, that showed a good CO2/N2 selectivity. As activated carbon contains the functional groups, the activated carbon can adsorb large amount water at high water partial pressure. However, because of different CO2 adsorption mechanism, water adsorption has almost no impact on CO2 adsorption on activated carbon. The kinetics study showed that CO2 adsorption velocity on activated carbon is much faster than that of H2O.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2012(027)002【总页数】7页(P139-145)【关键词】二氧化碳;水蒸气;吸附;等温线;穿透曲线【作者】徐冬;张军;李刚;XIAOPenny;WEBLEYPaul;翟玉春【作者单位】东北大学材料与冶金学院,沈阳110004;Monash大学化工系,澳大利亚墨尔本3800;Monash大学化工系,澳大利亚墨尔本3800;Monash大学化工系,澳大利亚墨尔本3800;Monash大学化工系,澳大利亚墨尔本3800;Monash大学化工系,澳大利亚墨尔本3800;东北大学材料与冶金学院,沈阳110004【正文语种】中文【中图分类】TQ174工业的快速发展使得能源消耗剧增, 过量二氧化碳气体排放所引发的温室效应已经成为严重的世界问题[1-2]. 如何减缓二氧化碳的排放量已经引起人们极大的关注, 成为研究工作的重点[3-4].在所有分离CO2的方法中, 吸附工艺具有能耗低、吸附剂使用周期长、工艺流程简单、自动化程度高、环境效益好, 无污染产生等优点[5-7]. 活性炭和沸石是最常用的用来变压或者变温吸附捕集CO2的吸附剂[8-10]. 虽然 13X沸石在干燥进气条件下对二氧化碳具有更高的吸附能力[11], 但13X沸石具有超强的亲水性, 水分子紧紧地吸附在微孔内部并且很难被解吸, 甚至会凝结在吸附塔内[12-13]. 而实际从工厂(燃煤热电厂)排出的废气中仍含有一部分饱和水蒸气在室温条件下不能除去[14]. 二氧化碳之前通过增加干燥塔等设备除去电厂废气中的饱和水蒸气, 会增加操作成本, 降低变压吸附技术的优越性[8]. 而碳质材料是公认的疏水性材料, 活性炭又是最通用的可以吸附分离CO2的吸附剂. 由于活性炭表面带有吸水官能团, 所以活性炭在一定压力下仍可以吸附一定量的水分.在工业实践中, 气体分离和净化所面临的对象都是混合物, 如果只研究单组份物质的吸附平衡,可能与实际生产中多组分的平衡曲线相差较大[15].所以研究多组分气体的吸附平衡, 对于吸附工艺的设计和应用是非常重要的. 另外, 由于目前测量多组分平衡(H2O/CO2)的实验操作比较繁琐和困难,直接由实验测定的气体混合物吸附平衡的数据比较少[5]. 故本工作通过吸附等温曲线和吸附穿透曲线不但研究了单组份(CO2和水蒸气)气体, 而且研究了双组分气体同时存在时在活性炭上的吸附平衡和吸附动力学.1 实验部分1.1 吸附剂性质试验所用的活性炭是由澳大利亚 Activated Carbon Technologies Pty Ltd提供的工业产品. 样品是不规格颗粒状, 粒径在2~5 mm范围内. 样品的物理性质详见表 1. 活性炭的扫描电镜照片(SEM)见图1. 样品表面可见很多的孔结构, 并且是不光滑的.表1 活性炭的物理性质Table 1 Physical properties of activated carbonProperty Activated carbon Original material Coconut shell Shape Granular Activated method Steam BET surface/(m2·g−1) 921.7 Total pore volume /(cm3·g−1) 0.37 Nominal pore size /nm 0.73图1 活性炭的SEM照片Fig. 1 SEM image of activated carbon1.2 等温吸附曲线测定及模拟吸附剂的比表面积、孔体积和孔径大小通过吸附测试仪ASAP 2010 (Micromeritics, USA)在液氮温度(77 K)下测定. 测试前, 样品在350℃真空条件下活化12 h, 这样可以除去样品内的水蒸气和其它杂质. 用BET法来计算样品在P/Po为0.05~0.25时的比表面积 SBET. 用密度泛函理论模型来计算样品的孔分布. 同时, CO2和N2在不同温度下的吸附等温曲线也通过 ASAP-2010来测定. 吸附温度范围为20~60℃, 吸附压力为0~120 kPa.由于水蒸气在低于饱和蒸汽压下会凝结成液态水, 并且水蒸气的浓度也比较难控制, 所以很难像测定 CO2和 N2那样直接利用仪器测试水蒸气在活性炭上的等温吸附曲线. 因此, 本课题组利用重量法原理安装了一个自制的双组份气体(H2O/CO2)等温曲线测试装置(Binary Isothermal Adsorption Unit, BIAU), 见图 2. 该装置主要由可恒温水槽(控制吸附发生的温度)、吸附柱(装载吸附剂样品)、水柱(通过气体后可以产生水蒸气)、水蒸气浓度测试仪(Vaisala HUMICAPHMT330, Finland)和压力传感器五大部分组成. 工作时后四个部件全部放入恒温水槽中, 可通过调节水温测定不同温度下水蒸气的吸附量, 进而计算水蒸气的等温吸附曲线.该装置也可以测定单组份水蒸气在吸附剂上的等温吸附曲线. 单组份水蒸气等温线的测试原理是使惰性气体通过水柱后带出水蒸气, 此时只有水蒸气会被活性炭吸附, 最后通过称量在相应水蒸气饱和蒸汽压下完全穿透吸附柱的质量增加来计算水蒸气的吸附量.图2 H2O/CO2 单双组分等温曲线装置图Fig. 2 Schematic diagram of theH2O/CO2 single & binary isothermal adsorption unit而双组份等温曲线的测定需同时依据重量法和体积法来分别计算水蒸气和CO2的吸附量. 该试验测双组份等温曲线时需用干燥的纯二氧化碳气体代替单组份试验中的惰性气体.CO2和N2在活性炭上的吸附等温线可以通过单分子层朗格缪尔(Singe Site Langmuir)方程来模拟[5],这里P是气体压力, B、B0是吸附常数, Q为吸附热, R是气体常数, T是温度, M 代表最大单分子层吸附量.不同温度下水蒸气在活性炭上的等温吸附曲线可以通过Qi-Hay-Rood (QHR)[16]模型来模拟,这里 q表示水蒸气的吸附量, ρ表示吸附水的密度, V0 表示吸附剂的孔体积, T表示吸附温度.把方程(4), (5), (6)带入方程(3)即可得到:这里当T<水的沸点时ρ = 1. 假设活性炭的密度是1 g/mL, 此时V0 = 0.355. 1.3 穿透曲线的测定图3 穿透曲线装置图Fig. 3 Diagram for breakthrough experiments测定穿透曲线的实验装置见图 3. 吸附床有效高度为1000 mm、内壁直径为76 mm、壁厚为5 mm的不锈钢管. 整个吸附装置外面包裹着丁腈橡胶,用来隔热. 在吸附床中, 装有等距离的 7个热电偶来监测实验过程中不同时间下的温度变化, 从进气口(底部)到出气口(顶部)分别定义为 T1–T. 另外,热电偶可以通过吸附热变化来追踪二氧化碳在床中的移动位置, 同时最重要的是可以通过水被吸附时产生的“冷点”变化来显示床中水蒸气的移动. 进气口和尾气口处分别装有压力传感器(S902, accuracy < 1% of reading, MKS)、流量计(EJA115, YokoGawa, Japan)、控制阀(Type 3510, SAMSON)和二氧化碳含量分析仪(Ir1507, intrinsic error < 0.1% CO2, Servomex),具体位置见图3. 实验过程由GeniDAQ® 软件通过计算机来操作. 为模拟工业废气的组成, 本实验所用干燥气体利用纯CO2气体与干燥空气组成. 当干燥混合气体通过装有蒸馏水的水柱内时, 相应温度下的水蒸气随气泡被带出.而水蒸气的含量通过调节水柱的温度来控制, 水蒸气相对湿度由湿度仪(HMT330, ±0.05% ful l scale, VAISALA, Finland)来测定. 混合气体先停留在进气罐, 通过调节进气罐的温度来改变进气温度. 本实验取两种不同的进气速率, 分别为50和100 L/min (LPM). 为接近电厂废气中的实际含量, 调节进气中 CO2含量为 12%,水蒸气浓度为8%.2 结果与讨论2.1 活性炭的性质分析样品的孔径分布见图 4, 可见该椰壳活性炭内部主要的孔径分布在0.7 nm左右, 另外还有一小部分孔径分布在1.2 nm左右, 都是微孔结构. 而气体分子的直径也一般都在1 nm以下, 比如CO2的分子直径为 0.33 nm, 这些气体主要被吸附在吸附剂的微孔结构内. 这种小分子的物理吸附基本由微孔的比表面积决定, 一般来说比表面积越大, 吸附量越多. 物理吸附本质上是靠范德华力, 由分子之间的弱相互作用力实现的. 因此从此活性炭的比表面积(BET 921.7 m2/g)和孔径分布分析(微孔为主)可知,本实验所选用的椰壳活性炭是变压吸附分离CO2的理想材料.图4 利用DFT模型从N2吸附曲线上计算的活性炭的孔径分布Fig. 4 Pore size distribution of activated carbon calculated from nitrogen and adsorption isotherms using DFT model石墨类材料的表面一般是憎水性的, 但是本研究中水蒸气在活性炭表面会被大量吸附. 这是由于在商业活性炭生产过程中不可避免地会使活性炭表面带有一些特定的官能团, 而这些官能团会与水分子产生准化学吸附作用. 一旦水分子被吸附到那些官能团表面, 这些水分子就会充当为二等基团, 通过羟基作用来吸附更多的水蒸气分子. 由于活性炭颗粒孔径的有限性, 吸附的水分子越多, 这种二等基团的产生就会越少[17-18]. 所以含有大量水蒸气的废气通过吸附床时, 不能够被羟基作用吸附的水蒸气就会穿透吸附床. 干燥活性炭(Dry-AC)、吸附CO2后的样品(AC-CO2)以及吸附水蒸气后的样品(AC-H2O)的红外光谱见图5. 对照文献[19]可知, 在3400~3300 cm−1及1630 cm−1波峰范围内, 红外光谱中对应的官能团为水中的羟基(−ΟH), 而波峰1398~1370 cm−1范围内对应的官能团为甲基(−CH3)和羧基(−COO)官能团, 在1090~1020 cm−1范围内对应的官能团为Si−O基. 而本实验所用的干燥活性炭及吸附CO2和H2O后的活性炭的红外分析波峰正对应着以上官能团, 所以该活性炭必然会对水有一定的吸附性.2.2 单组份气体的等温吸附曲线2.2.1 CO2和N2的单组份吸附曲线图5 不同条件下的活性炭的红外光谱图Fig. 5 IR analyses of activated carbon in different conditions图6 CO2和N2在活性炭上的等温曲线Fig. 6 Adsorption isotherms of CO2 and N2 onto activated carbonDots are experimental results and lines represent model fitting by single site Langmuir equation单组份CO2和N2在活性炭上的等温曲线(图6)略呈线性. 实验测定曲线与模拟曲线基本吻合, 说明单分子层朗格缪尔方程可以很好地模拟CO2在活性炭上吸附. 图6显示了活性炭对CO2具有较大的吸附量而对N2具有较小的吸附量. 与13X沸石的等温线(第I类曲线)相比, 活性炭在分离CO2上的优势是因为低压段CO2的吸附量较低, 这样利用变压吸附工艺在低压条件下(5~10 kPa)被吸附的CO2可以很容易解吸出来, 而且解吸压力可以比在13X上的略高. 这两种优势都可以节省设备的能耗. 因为当真空压力<5 kPa时, 每当压力减小1 kPa, 变压吸附装置系统就会消耗很多能量. 一般来说, 应用 13X沸石作为吸附剂, 真空压力应降至 2~3 kPa 左右.但如果应用活性炭作为吸附剂, 真空解吸压力可以在5~6 kPa范围内, 这样活性炭就显出更大的优势.另外, 吸附曲线还显示出N2在活性炭上的吸附量比在13X沸石的大. 这说明活性炭对CO2和 N2的吸附选择性不是很好.2.2.2 H2O的单组份吸附曲线不同温度下水蒸气在活性炭上的等温线呈典型的第V类曲线, 如图7所示. 这种S 型的等温曲线的特点是高压下对水蒸气有很高的吸附量, 而低压下却对水的吸附量很低. 这种曲线的优点就是应用在真空变压吸附中, 可以很容易地实现对水的分离,也就是说即使吸附在活性炭的孔径内, 水蒸气也会很容易从真空泵解吸出来, 不会影响活性炭对 CO2的吸附及循环操作. 另外, 该曲线也说明了普通的工业活性炭并不是完全的疏水性材料, 在一定条件下它仍然具有很高的吸水性. 水在活性炭表面的吸附主要通过形成独特的三维水分子簇和网状结构,而这些结构的形成依靠着水分子与活性炭上可取代的活化位置协同作用来完成[20]. 图 7(b)还显示, 实验测得的等温曲线可以很好地通过 QHR模型来模拟. 在较高温度下(60℃), 活性炭对水蒸气的吸附量仍然较高.图 7 水蒸气在活性炭上的等温曲线(a)25, 30 和35℃上的实验值, (b)25, 35, 50 和60℃上的实验和模拟值Fig. 7 Adsorption isotherms of water vapor onto activated carbon at (a) 25, 30 and 35℃ of experimental data, (b) 25, 35, 50 and 60℃ with model fitting dataDots are experimental results and lines represent model fitting2.3 双组份气体的等温曲线H2O和CO2的单、双组份等温吸附曲线见图8.对比可知, 不管是水蒸气还是二氧化碳, 双组份的等温吸附曲线几乎与单组份的等温曲线是重合的,这说明虽然活性炭具有吸水性, 但是水的存在并不影响活性炭对CO2的吸附, 或者说它们之间几乎没有互相影响. 这是因为活性炭把CO2吸附进微孔结构内, 而对H2O的吸附不一定局限在微孔内. 如上所述, 活性炭吸水机理主要在于其表面上官能团的作用, 而官能团的存在不一定在微孔内, 因此 CO2和H2O两者之间的吸附是相对独立的. 这也是应用活性炭作为吸附剂分离高湿工业废气中CO2的最大优点.图8 单、双组份H2O/CO2气体在活性炭上的等温吸附曲线Fig. 8 Single and binary adsorption isotherms of water vapor and CO2 onto activated carbon2.4 单/双组份气体的穿透曲线实验取两种不同的进气速率(分别为 50和100 L/min)来观察不同进气速度下的H2O和 CO2在活性炭上的吸附速度. 在活性炭吸附床上单/双组份气体的穿透曲线见图9. 显然, 当进气速率为100 L/min时, 由于较快的进气速度, 单组份的穿透曲线和双组份的穿透曲线没有太大差别, 这表明了水蒸气在活性炭上是比较弱的吸附质气体. CO2穿透吸附床的时间为45 s, 而H2O穿过吸附床的时间为180 s, 这是由于活性炭类材料是依靠动力学分离的原理来分离一组气体的[21]. 像 CO2这样吸附速率快的气体就可以先占据吸附剂材料内的孔径, 这就使得吸附速度较慢的水蒸气对CO2的影响不大. CO2在活性炭上的双组份穿透曲线上也具有不太明显的回升(roll-up)现象. 这是因为在吸附的过程中, 二氧化碳首先吸附在吸附剂表面, 然后吸附速率较慢的H2O又被吸附. H2O吸附也会产生大量的吸附热, 而吸附热释放出来后会随着气流方向往前推移. 所以先前吸附的一部分二氧化碳就会由于升温的作用而发生解吸. 解吸下来的CO2浓缩后浓度必然大于最初进气的 CO2浓度值,所以在双组份 CO2的穿透曲线上出现回升现象.当进气速率在 50 L/min 时, 双组份的穿透曲线稍陡于单组份的曲线. 同时, 由于两种气体的竞争, 导致双组份的穿透曲线早于单组份的曲线.2.5 双组份气体在吸附床内的温度变化通过追踪吸附床内各个点的温度变化来获得双组份气体穿透点的变化, 如图10所示. 图10(a)和(b)在温度变化趋势上的差别不大. 因为进气速度较小,图10 (b)的温度变化趋势更明显易见. 从T3到 T7,吸附床上有两次显然的温度变化, 这是由CO2的第一次吸附和H2O的第二次吸附引起的. CO2的吸附速率较快, 很难在 T1、T2处观察到两次温度变化,仅有的一次是由水蒸气的吸附引起的. 在吸附床内由CO2和H2O分别的吸附热释放引起的温度差分别是4.5~6.0℃和2.0~3.5℃. 由此可知, 在活性炭吸附床内的强吸附质气体为 CO2, 而不是 H2O, 这与13X沸石吸附床内的结果是相反的. 所以水蒸气在活性炭的吸附将不会或者很少影响到CO2的吸附. 图 9 单组份/双组份在活性炭变压吸附床上(a) CO2, (b) H2O的穿透曲线Fig. 9 Both single and binary breakthrough curves for (a) CO2 and (b) H2O at the bed3 结论通过孔径分布和红外光谱分析可知, 工业椰壳活性炭主要具有微孔结构, 并且因其表面含有多种官能团, 可以吸附一定量的水蒸气. 对等温吸附曲线的研究表明, 该活性炭具有较高的CO2吸收能力,是一种应用在变压吸附分离CO2的良好吸附剂. 并且通过双组份吸附曲线和穿透曲线研究表明水蒸气的存在不会影响活性炭对 CO2的吸附. 当两种气体同时通过时, CO2在活性炭上的吸附速度远大于H2O的吸附速度.图10 (a) 100 L/min进气和(b) 50 L/min进气双组份穿透曲线实验中温度变化Fig. 10 Temperature swing profiles in binary breakthrough experiments at flow of (a) 100 L/min and (b) 50 L/min参考文献:【相关文献】[1] 费维扬, 艾宁, 陈健. 温室气体的捕集和分离−分离技术面临的挑战与机遇. 化工进展, 2005,24(1):1−4.[2] Jose D F, TIimothy F, Sean P, et al. Advances in CO2 capture technology—The U.S. department of energy’s carbon sequestration program. 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Dynamic adsorption and desorption properties of xenon on activated carbon fiber. Journal of Inorganic Materials, 2006, 21(1): 81−86.。
变压吸附分离二氧化碳技术的研究进展及其在炼厂气分离上的应用
变压吸附分离二氧化碳技术的研究进展及其在炼厂气分离上的应用李燃【摘要】在充分调研国内外关于变压吸附分离CO2技术资料的基础上,对变压吸附工艺、吸附剂等的发展现状进行了概述,并比较了各种方法、材料的优缺点,并对国内变压吸附技术做了简单的介绍.分析了变压吸附技术在炼厂气回收上的应用前景,并对炼厂应用,大规模建设时可能遇到的问题做了简要分析.【期刊名称】《当代化工》【年(卷),期】2016(045)006【总页数】5页(P1304-1307,1311)【关键词】变压吸附;CO2【作者】李燃【作者单位】中国检验检疫科学研究院,北京100176【正文语种】中文【中图分类】TE624自从工业革命开始，化石燃料的使用量逐年递增。
化石燃料的燃烧排放出大量的二氧化碳，从而导致了愈发严重的环境污染问题。
目前，每年全球大气中的二氧化碳量大约增加60亿t吨。
据研究发现，导致全球范围内温度升高的各种因素中，有55%的贡献是来自于二氧化碳排放。
一份来自IEA（国际能源机构）报告的结果表明，炼油工业产生的CO2约占主要企业总排放量的5%。
随着我国能源消费量的增加，同时我国炼油能力不断提高，据估算，2010年我国炼油行业二氧化碳排放总量约为1.53亿t，约占我国总排放量的1.5%~2.0%。
最近几年，我国原油消费呈现逐年递增的趋势，而日益增长的需求背后是国内生产已无法满足，而由炼油和石油化工产生的二氧化碳排放在整个石油工业中所占的比例有在逐年快速的增加，目前所占比重已超60%。
因此，在环境保护的大背景下，如何有效的捕集回收二氧化碳，减少尾气中二氧化碳的排放成为解决目前温室问题的关键。
1 变压吸附技术20世纪60年代一种新型的气体分离技术发展起来，即PSA（变压吸附）技术。
最早，在从含氢气的气体中提纯氢气的工业应用中，变压吸附技术被首次采用，应用这一技术的是美国联合碳化物公司(UCC)。
70年代，PSA技术开始在我国起步发展，以西南化工研究设计院为代表的一些单位进行了大量的研究工作。
变压吸附技术在工业化碳捕集中的应用现状
变压吸附技术在工业化碳捕集中的应用现状兰林;徐飞;夏林;邹鹏飞;黄晓榕;贾元辉【期刊名称】《天然气与石油》【年(卷),期】2024(42)2【摘要】在全球碳排放和温室效应的背景下,碳捕集、利用和封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)技术高速发展。
以变压吸附技术为代表的燃烧后碳捕集技术因市场巨大而备受关注,但其吸附效果和吸附成本有待优化。
介绍了全球碳排放背景和CCUS技术概况,重点分析了变压吸附技术的研究进展。
首先阐述了变压吸附技术的工作原理和再生工艺,然后总结了以硅胶和活性炭为代表的吸附材料性能特点和研究进展,综述了以低压变压吸附技术为代表的多种变压吸附工艺流程和应用进展,并进行了技术经济性分析。
明确了影响吸附材料吸附效果的关键因素,应从结构、制备和性能等方面改善吸附材料的吸附效果,指出了低压变压吸附技术具有工艺流程简单和经济优势显著等特点,是实现工业化碳捕集的重要途径。
对目前研究的不足之处提出了展望,为吸附材料的开发和吸附工艺的改进提供参考。
【总页数】8页(P21-28)【作者】兰林;徐飞;夏林;邹鹏飞;黄晓榕;贾元辉【作者单位】中国石油工程建设有限公司西南分公司;中国石油西南油气田公司天然气净化总厂;四川鸿鹄科技集团有限公司【正文语种】中文【中图分类】X70【相关文献】1.烟气中低浓度二氧化碳吸附捕集中试试验研究2.我国变压吸附技术的工业应用现状及展望3.真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析4.低浓度CO_(2)的捕集技术及吸附法在碳捕集中的应用5.膜分离-变压吸附协同捕集低浓度烟气二氧化碳工艺模拟研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
废气中二氧化碳转化的实际案例
废气中二氧化碳转化的实际案例随着工业发展和人们生活水平的提高，废气排放成为了一个严重的环境问题，其中二氧化碳是主要的温室气体之一。
如何有效地转化和利用废气中的二氧化碳，不仅可以减少温室气体的排放，还能够为经济发展提供新的动力和资源。
在国内外，有不少实际案例成功地将废气中的二氧化碳转化为有用的化学品或燃料。
这些案例既彰显了科技创新带来的巨大潜力，也为我们提供了可借鉴的经验和方法。
第一个案例是利用催化剂将废气中的二氧化碳转化为甲酸。
诺华集团和瑞士联邦理工学院的研究人员共同开发了一种高效的催化剂，可以将二氧化碳和氢气反应生成甲酸。
该催化剂能够在较低的温度和压力下实现高选择性和高转化率，节约了能源和资源的消耗。
这项技术已经成功商业化，并在某些工业过程中得到了应用。
第二个案例是利用生物催化剂将废气中的二氧化碳转化为生物质燃料。
英国一家公司开发了一种利用藻类的微生物将二氧化碳转化为生物质燃料的技术。
这种微生物能够通过光合作用吸收二氧化碳，并在特定条件下将其转化为可燃的生物质。
这项技术不仅可以减少二氧化碳的排放，还可以为生物质能源的生产提供可持续的来源。
第三个案例是利用化学反应将废气中的二氧化碳转化为有机化合物。
美国一家公司研发了一种新型的催化剂，可以将二氧化碳和氢气反应生成甲醇。
该催化剂具有高活性和高选择性，能够在较低的温度和压力下实现高效转化。
这项技术为甲醇的生产提供了新的途径，同时减少了温室气体的排放。
这些实际案例的成功不仅是科技创新的成果，更是环境保护和可持续发展的体现。
通过转化和利用废气中的二氧化碳，我们能够减少温室气体的排放，降低对传统资源的依赖，同时为经济发展提供了新的机遇。
总而言之，废气中二氧化碳转化的实际案例为我们展示了技术创新的威力和环境保护的重要性。
通过不断探索和创新，我们有望找到更多高效、可行的废气利用方法，为可持续发展贡献力量。
气体分离用变压吸附剂的研究进展
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童东绅等
气体分离用变压吸附剂的研究进展
综述
较苛刻， 相对而言， 因此， #$%&’ 沸石比较容易得到。 可知 #$%&’ 沸石在工业化制氮方面有更广的应用 前景。
产碳分子筛的制备由于受某些条件限制，对孔径大 小一般无法控制。目前市售的碳分子筛微孔孔径分 布在 34 * ) !4 3 56， 都不太符合氧、 氩气分离所要求 的 34 (" ) 34 *" 56 孔径分布范围，因为如果孔径过 大， 氧气、 氩气分子都很容易进入微孔中， 起不到筛 分分离的作用； 反之， 氧气和氩气分子都不能进入微 孔中， 也起不到分离的作用。因此， 对现有分子筛的 改性研究可以作为今后工作的重中之重。 !" ! 沸石分子筛制氧 目前市场上应用最活跃的沸石制氧分子筛为 首先由 #$ 基 ’ 型分子筛。但仍然存在不少的问题， 7 于 #$ 离子在 ’ 沸石上的交换比较难，要达到高的
图! （#$% ） !" 和 #" 在 $% 分子筛上的吸附等温线
早期制氮所用的分子筛主要是 BK 和 !?L 分子 筛， 然而由于它们对 F# 的分离效果并不好，于是现 在国内外对沸石分子筛的改性研究比较多，特别对 F,L、 &,K、 M*L、 K6L、 M*K6L 等几种沸石分子筛集中 阳离子 进行了研究。从 @043( &,/0- 模拟结果推知， 半径越小与 F# 的作用更强，而原子半径最小的是 因此近几年对锂离子改性沸石研究较多。后来 M* N ， 8,O-’ 等人发现 : !! ; ，用 M*L 沸石作吸附剂对氮气的 吸附量比用 F,L 沸石高出 B$= ， 证实了 @043( &,/0模拟的推断。此外 &’,0 和 &0( 等人发现 : !# ，!? ; ， M*L 沸石吸附容量的增长有一个条件，就是 M* N 的交换 程度必须大于 "$= ， 此时， M*L 沸石的吸附容量才会 迅速增加。目前， 比较一致的看法是 II= 左右的交 换度最优。 如果采 P(6( 和 J,46 的研究结果证明 : !% ; ， 压力比可以降低至 # 左右， 而用钙基或 用 M*L 沸石， 钠基沸石一般的压力比为 %，这便极大地节约了能 量， 使生产成本大大降低。此后， Q,R6001 和 Q2,46 等人分别发现的 K6 N 交换沸石对 F# 吸附的优点和 M*L 沸石具有良好的吸附性能，J,46 等人结合了此 前的研究得到 K6L 等几种沸石的等温吸附曲线图 : !B G !" ; （图 # ） 。 由此图可知， 但对于 K6L 的性能最好。 空分吸附剂， 我们希望它在高压下有高选择性系数， 而在低压下有低的选择性系数，这样吸附效率高且 解吸容易，分离更好。 5 J,46 等人研究了图 # 中吸 附性能较好的 ? 种沸石在不同压强下的选择性，得 出 K6L 沸石在低压下的选择性系数极高， 不易解吸 因此它不适合作工业吸附剂。 同时比较 M*K6L 沸 F# ， 石与 M*L 沸石的选择性系数， 高压下前者比后者高， 低压下前者比后者低，因此可知 M*K6L 是比 M*L 性 能更好的吸附剂。若考虑在沸石中进行离子交换还 有一个难易的问题S 这几种离子在 L 沸石上交换的 选择性次序是 T K6 N 3F, N U M* N ，M* N 交换的条件比
变压吸附法脱除二氧化碳的研究
变压吸附法脱除二氧化碳的研究二氧化碳（CO2）是全球变暖的主要原因之一，为了达到减少温室气体排放，降低全球变暖的目标，需要积极推行温室气体污染减排技术，其中包括变压吸附法脱除二氧化碳。
本文重点讨论以变压吸附法脱除二氧化碳的研究进展及其原理、优点、应用及未来发展，旨在为更好地减少温室气体污染提供新的思路和方法。
一、变压吸附法脱除二氧化碳的研究进展1、催化剂为了变压吸附法脱除二氧化碳，科学家们已经研发出了各种催化剂，其中包括金属非金属催化剂（如金属氧化物催化剂），有机非金属催化剂，及金属纳米颗粒催化剂等。
它们比其他类型催化剂可以有效地脱除二氧化碳，并有效地抑制合成气体的产生。
2、变压吸附脱除器变压吸附脱除是一种可以有效降低温室气体排放的技术。
它主要分两步：第一步，压力调节器将带有大量二氧化碳的空气压缩到压力约为3MPa；第二步，通过变压吸附脱除器，利用合适的催化剂将压缩气体中的二氧化碳吸附，并将温室气体安全地脱除。
3、模拟研究为了更好地了解变压吸附法脱除二氧化碳的性能，科学家们对它进行了模拟研究，他们首先利用模拟软件计算温室气体吸附速率、脱除效率，以及变压吸附法脱除温室气体的能耗等，并根据计算结果选择合适的催化剂，并进行了实验验证。
二、变压吸附法脱除二氧化碳的原理变压吸附法脱除二氧化碳的原理是利用低温、低压和合适的催化剂，将二氧化碳从一种混合物中分离出来，并吸附到催化剂表面。
变压吸附法主要分为两步：第一步是充满了二氧化碳混合物的空气通过压力调节器被压缩到压力约为3MPa，第二步是将压缩气体通过变压吸附脱除器，将压缩气体中的二氧化碳吸附到催化剂表面，并且温室气体被安全地脱除。
三、变压吸附法脱除二氧化碳的优点变压吸附法脱除二氧化碳具有以下优点：1、高效：变压吸附法是一种高效的脱除二氧化碳的方法，可以有效地降低温室气体排放。
2、低成本：变压吸附法不需要复杂的设备，并且需要耗费较少能源，可以节约大量的能源和成本。
电厂废气中饱和水蒸气对活性炭变压吸附捕集CO2的影响
电厂废气中饱和水蒸气对活性炭变压吸附捕集CO2的影响徐冬;张军;李刚;Penny Xiao;Paul Webley;翟玉春【摘要】由于热电厂废气中含有高湿饱和水蒸气,选用疏水材料活性炭为吸附剂,利用真空变压吸附技术研究了活性炭分离电厂废气中水蒸气和二氧化碳的可行性和优越性,研究了水对CO2捕集的影响.实验分析表明,水在活性炭上的"S"型等温吸附曲线有利于真空条件下被解吸.同时,圆锥模型描述了水蒸气在吸附床内的浓度分布.结果表明,即使水蒸气可以被活性炭吸附,但它的存在不影响CO2的捕集.每个循环操作可在相对较短的解吸时间和较高的解吸压力下完成.实验中单床三步变压吸附工艺可以使CO2回收率高达80%,CO2纯度达43%.%Due to the high absolute humidity of real flue gas, activated carbon, a hydrophobic adsorbent, was used to selectively adsorb CO2 by vacuum swing adsorption in this study. The objective of this work is to study the feasibility and advantage of CO2 capture along with simultaneous moisture removal by activated carbon and the effect of H20 on CO2 capture from wet flue gas streams. Through experiment and analysis, the "S" shape isotherms of water indicated water was easier to be desorbed from activated carbon. Then a cone shape model was proposed to depict water distribution inside the adsorption bed. As a consequence, water vapor hardly influenced the CO2 capture performance. Moreover, the process can be operated under a relatively high vacuum pressure and short evacuation time. The preliminary results showed that our one-bed VSA process could yield a good CO2 recovery of over 80％ and a reasonable purity of 43％.【期刊名称】《燃料化学学报》【年(卷),期】2011(039)003【总页数】6页(P169-174)【关键词】水蒸气;二氧化碳;变压吸附;电厂废气;活性炭【作者】徐冬;张军;李刚;Penny Xiao;Paul Webley;翟玉春【作者单位】东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110086;蒙纳士大学,化工系,墨尔本,3800,澳大利亚;蒙纳士大学,化工系,墨尔本,3800,澳大利亚;蒙纳士大学,化工系,墨尔本,3800,澳大利亚;蒙纳士大学,化工系,墨尔本,3800,澳大利亚;蒙纳士大学,化工系,墨尔本,3800,澳大利亚;东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110086【正文语种】中文【中图分类】X511;TQ028.2工业的快速发展使得能源消耗剧增，空气污染也随之日益严重，而过量二氧化碳气体排放所引发的温室效应已经成为严重的世界问题［1］。
变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展初探
变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展初探【摘要】文章以变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展为中心话题，介绍了碳的捕获和存储、氧化碳的分离工艺、氧化碳的捕获系统，分析了氧化碳的变压吸附分离技术进展、国内外变压吸附分离二氧化碳的工业应用进展、变压吸附分离二氧化碳工艺中存在的问题等相关内容，并对变压吸附分离工业废气中二氧化碳工艺作了展望。
希望能够引起人们对这一问题的进一步关注，能够对将来的实际工作发挥借鉴指导作用。
【关键词】变压吸附工业废气二氧化碳研究进展1 引言自工业革命以来，石油、煤炭的用量急剧增加，它们在促进经济社会发展，提高人们生活水平等方面发挥了巨大的作用。
但是，石油、煤炭的大量使用所带来的空气污染问题也越来越严重，由二氧化碳过量排放所引起的温室效应已经成为全球性的严重问题。
因此，改变人类的生产方式、转变能源材料的利用方式，降低二氧化碳的排放量是摆在人类面前的重要课题。
2 碳的捕获和存储碳的捕获和存储这一概念最早出现于1977年，它是指将二氧化碳从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并长期与大气隔绝的过程。
它主要包括捕获、运输和封存三个阶段，在当今工业生产中都存在着这三个过程，其目的是为了减少二氧化碳排放量，减缓温室效益。
碳的捕获和存储是减缓温室气体的一种合理方案，它能否广泛的得以运用取决于多方面的因素影响，比如技术成熟程度、成本、法律法规、环境问题等等。
在整个捕获和存储过程中，捕获是最重要也是最昂贵的环节，其资金消耗站到总资金的85%左右。
3 二氧化碳的分离工艺及捕获系统（1）分离工艺类型及特点。
分离工艺主要包括四种类型：溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法、变压吸附法。
在实际工作中，这些方法既可以单独使用，也可以组合使用。
溶剂吸收法适用于气体中二氧化碳浓度较低的情形，浓缩之后二氧化碳的浓度可以达到99.99%，但是投资大，能耗较高，分离回收成本高。
低温蒸馏法适用于二氧化碳高浓度的情形，投资大，能耗高，分离效果较差，运用得比较少。
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CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2010年第29卷第1期·150·化工进展变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展徐冬1,2，张军2，翟玉春1，刘丽影1,2，李刚2（1东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110086；2 Department of Chemical Engineering，Monash University，Melbourne 3800）摘要：概述了未来人类对过量二氧化碳排放的处理办法，即碳的捕获和存储（CCS）。
简介了4种二氧化碳的分离工艺及特点和工业中二氧化碳的捕获系统。
阐述了变压吸附工艺的基本原理和其在捕获工业废气中二氧化碳上的应用，以及变压吸附分离二氧化碳的工艺在循环结构设计、吸附剂材料和数值模拟等方面的研究进展和国内外的工业化应用。
分析了目前该工艺仍存在的问题，指出该技术具有广阔的应用前景。
关键词：二氧化碳；变压吸附；分离；捕获和存储中图分类号：X 511；TQ 028.2 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2010）01–0150–08 Progress in carbon dioxide capture from flue gas by pressure swingadsorptionXU Dong1,2，ZHANG Jun2，ZHAI Yuchun1，LIU Liying1,2，LI Gang2（1 School of Material & Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，Liaoning，China；2 Department of Chemical Engineering，Monash University，Melbourne 3800，Australia）Abstracts：The disposition of excessive carbon dioxide from industries，namely carbon dioxide capture and storage (CCS)，is summarized. Four types of carbon dioxide separation techniques as well as an industrial carbon dioxide capture system are introduced. The principle of pressure swing adsorption (PSA) and its application in carbon dioxide capture from flue gas are described. Recent developments in PSA cycle design，adsorbents，simulations and industrial applications are reviewed. Existing problems that need to be resolved in current PSA technologies are analysed. It is concluded that PSA is a promising technology for carbon dioxide capture.Key words：carbon dioxide; capture and storage; pressure swing adsorption; separation工业的快速发展使得能源消耗尤其是石油、煤炭及天然气的消耗剧增，空气污染随之日益严重。
而过量二氧化碳气体排放所引发的温室效应已经成为严重的世界问题。
由于世界性公约的限制，未来二氧化碳排放量势必要降低[1]。
自从工业革命以来，空气中二氧化碳的浓度已经增长了近30%[2]，如果人类生产和使用能源材料的方式不改变，空气中二氧化碳的浓度会继续增加。
如何减缓二氧化碳的排放量已经引起人们极大的关注，成为目前及未来人类的重要工作[3]。
1 碳的捕获和存储[4-6]为了减缓全球性气候变化，控制及处理大气中过量二氧化碳排放，碳的捕获和存储（carbon capture and storage，CCS）的概念由Marchetti于1977年提收稿日期：2009–05–07；修改稿日期：2009–06–09。
基金项目：Cooperative Research Centres Program for Greenhouse Gas Technology (CO2CRC) of Australian Government。
第一作者简介：徐冬（1982—），男，博士研究生。
联系人：翟玉春，教授，博士生导师。
电话 024–83687731；E–mail Zhaiyc@。
DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2010.01.028第1期徐冬等：变压吸附分离工业废气中二氧化碳的研究进展·151·出。
CCS是指将CO2从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。
CCS过程主要由三部分组成：捕获、运输和封存。
所有三个部分都存在于当今的工业生产中，尽管其中多数并非为了CO2的封存。
捕获是指把CO2从其它气体中分离出来。
对于燃料的燃烧过程，可以采用分离技术在燃烧后捕获CO2，或者在燃烧前对燃料进行脱碳。
为了把捕获的CO2输送到距CO2源较远的合适封存地点，需要采取运输步骤。
为了便于运输和封存，捕获的CO2通常由捕获设备进行高浓度压缩。
潜在的封存方法包括注入到地下地质构造中、注入深海，或者通过工业流程将其凝固在无机碳酸盐之中。
CCS是稳定大气温室气体浓度的减缓行动组合中的一种选择方案，它的广泛应用取决于技术成熟性、成本、整体潜力、在发展中国家的技术普及和转让及其应用技术的能力、法规因素、环境问题和公众反应。
在碳的存储和捕获技术中，二氧化碳的捕获是最重要也是最昂贵的一个环节，这部分资金消耗将近占总费用的85%左右。
2 二氧化碳的分离工艺及捕获系统2.1分离工艺类型及特点有关二氧化碳的分离提纯工艺，主要可分为4种类型[7－8]：溶剂吸收法、低温蒸馏法、膜分离法和变压吸附法，这些方法也可组合应用。
溶剂吸收法适用于气体中CO2含量较低的情况，浓缩后CO2浓度可达到 99.99%，但该工艺投资费用大，能耗较高，分离回收成本高；低温蒸馏法适用于高浓度的情况，如CO2浓度为60%。
该工艺的设备投资大，能耗高，分离效果差，成本也高，一般情况不太采用；膜分离法工艺较简单，操作方便，能耗低，经济合理，但缺点是常常需要前处理、脱水和过滤，且很难得到高纯度的CO2；但仍不失为一种较好的分离CO2的方法。
变压吸附分离提纯CO2技术于 1986 年实现工业化，可以从多种含CO2的气源中捕获提纯 CO2，满足CO2的多种工业用途[9]。
具有能耗低、吸附剂使用周期长、工艺流程简单、自动化程度高、环境效益好、无污染产生等优点，但具有吸附剂容量有限，需大量吸附剂等缺点。
2.2捕获系统类型[4－5,10]目前工业废气中CO2的捕获系统主要包括：燃烧后捕获、燃烧前捕获以及氧燃料燃烧。
燃烧后捕获是指系统从一次燃料在空气中燃烧所产生的烟道气体中分离CO2；燃烧前捕获是指系统在一个有蒸汽和空气或氧的反应器中处理一次燃料，产生主要成分为一氧化碳和氢的混合气体。
在第二个反应器内通过一氧化碳与蒸汽的反应生成其余的氢和CO2；氧化燃料系统用氧代替空气作为一次燃烧进行燃料，产生以水汽和CO2为主的烟道气体。
燃气流中的CO2浓度、燃气流压力以及燃料类型都是选择捕获系统时要考虑的重要因素。
一个由燃煤发电厂产生的废气中二氧化碳捕获的流程系统见图1。
这些捕获系统可以通过物理或化学溶剂、过滤膜、固体吸附剂来完成，或者通过低温分离。
具体捕获技术的选择在很大程度上取决于其投产所需的加工条件。
目前电厂中使用的燃烧后和燃烧前系统可以捕获电厂产生的CO2的85%～95%。
而变压吸附技术主要用在燃烧后或燃烧前来捕获废气中CO2。
燃烧后天燃气煤生物质空气电和热N2O2CO2分离CO2CO2CO2压缩和脱水空气/O2水汽图1 CO2捕获流程和系统概况[4]燃烧后工业废气中CO2的浓度一般会在5%～15%之间波动。
废气从锅炉出来后经过脱硫、脱氮处理，最后进入捕获分离步骤。
分离后的二氧化碳浓度会高于95%，然后被压缩成液态进而被运输、储存。
3家典型发电厂燃烧后工业废气的主要组成见表1。
其中气体A为500MW燃烧粉煤发电厂废气，气体B为465MW煤气与煤组合燃烧发电厂废气，气体C为500MW富氧（99%O2）燃煤发电厂废气。
3 二氧化碳的变压吸附分离技术进展3.1二氧化碳分离工艺变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）技术[10]是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力的变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程来实现气体的分离或提纯。
由化工进展 2010年第29卷·152·表1三家发电厂排出的废气成分各组分体积分数气体质量流/kg·s－1压力/bar 温度/℃N2CO2H2O O2Ar SO2NO x SO x HClA 6.6.25 1.01693.10.71 0.1260.111 0.0440.008190mg/m3 666mg/m3B1007.4 1.013890.750.0340.0690.1380.00925 mg/m3C 178 11660.00640.62610.31530.04520.00310.00070.00310.0001注：1bar=0.1 MPa。
于单塔PSA装置不能够实现气体的连续吸附，产品的产率较低，且系统能量也得不到充分利用。
1960年Skarstrom等[11]在其专利中提出变压吸附双塔结构（见图2），用前一个吸附塔排出的未吸附气体或者部分产品气体来冲洗后一个塔的连续操作步骤，实现了变压吸附的循环操作，提高了产物的回收率，且均压步骤中节省了能量损失。
目前被开发的多塔循环装置都是在Skarstrom循环的基础上发展起来的[12]。
为了提高CO2的回收率、纯度以及减少操作过程中的能量损失，在变压吸附循环过程中，除了最基本的加压（pressurization）、吸附（feed）、逆向减压（countercurrent depressurization）和冲洗（purge）4个步骤外，再加压（repressurization）、均压（equalization）、顺流减压（cocurrent depressurization）、回流（reflux）等各种操作步骤也在文献或专利中[5,10,16]提出。