用氢氧化钙和氢氧化锂捕获燃烧后的二氧化碳

科学报告|(2022) 12:10518| https://doi.org/10.1038/s41598-022-14235-51 打开燃烧后二氧化碳捕获含钙和氢氧化锂玛丽亚·安东尼塔·科斯塔廖拉, 玛丽亚·维多利亚·普拉蒂 & 朱塞佩·佩雷塔建造了一个小型工厂，用于测量固体吸附剂捕获内燃机废气中的二氧化碳 (CO2) 的能力。研究的吸附剂是氢氧化钙和氢氧化锂。这两种吸附剂成本低，可用于呼吸气体净化系统。针对不同的吸附剂粒度（颗粒和粉末）、不同的温度（从环境温度到 300 °C）、气体空速、水分含量和气流的化学成分测量每种吸附剂的碳酸化能力。事实上，其目的是将吸附剂暴露在化学和物理参数接近内燃机排气的气流中。碳酸化能力的测量采用双重技术：使用非色散红外分析仪连续在线测量 CO2，以及使用扫描电子显微镜对碳酸化吸附剂进行离线测量。实验结果表明，氢氧化钙在低温（20 至 150 °C）下具有良好的 CO2 吸收能力。由于暴露表面积增加，性能改进来自精细粒度；此外，气流中水分的存在也增强了二氧化碳的捕获。相反，二氧化硫和一氧化氮的存在大大降低了吸附剂的碳酸化能力。减少温室气体 (GHG) 排放已成为避免气候变化及其灾难性影响的必要条件。人类活动在大气中增加了大量的温室气体，从而极大地影响了地球的温度。人员和货物运输对大气中二氧化碳 (CO2) 的排放起着关键作用。欧洲环境署估计，2019 年，交通运输部门（包括公路运输、国内航运和航空、铁路）排放近 824 公吨二氧化碳，占欧洲二氧化碳排放量的近 28%。此外，国际航运和航空的温室气体排放量分别占全球二氧化碳排放量的 4.7% 和 4.5%1.欧盟委员会通过了一系列立法提案，以在 2050 年前实现欧盟的气候中和，其中包括到 2030 年将温室气体排放量净减少至少 55% 的中间目标。通过车辆的二氧化碳排放标准）是至关重要的。与对国内和国际交通不断增长的需求相比，这一目标意味着有必要采用许多技术措施，每一项都能够减少运输工具的二氧化碳排放。二氧化碳减排主要可以通过实施能效措施来减少燃料使用。最有希望的措施包括混合动力电力推进，优化车辆运行模式，如速度、负载和航次规划2.此外，用可再生燃料（如生物燃料）和替代能源（风能和太阳能、燃料电池）替代化石燃料应减轻交通运输对环境的影响4.另一种减少大气中二氧化碳排放的可能方法是燃烧后捕获，即从内燃机的废气中捕获 CO2。在最近的一项研究中5，证明燃烧后碳捕获是一种有效的过渡解决方案，可在短期内降低 CO2 排放；他们表明，使用胺溶剂进行化学吸收的系统可以捕获高达 90% 的全部排放物。然而，用胺溶液捕获 CO2 存在一个很大的缺点：由于再生能量要求高，因此它是高度能量密集型的。出于这个原因，在过去几年中，人们越来越关注使用新型固体吸附剂的吸附工艺，该吸附工艺具有更大的 CO2 捕集能力和选择性，而且易于处理和降低成本6.为此，研究了两种固体吸收剂，氢氧化钙和氢氧化锂，用于捕获烟道气中的 CO2。氢氧化钙 (Ca(OH)2) 具有许多环境应用。事实上，它用于烟气处理以减少酸性气体（HCl、SOx 和 NOx）的排放，它也是吸收 CO2 的有效溶剂。作为CO2吸收剂，主要在水溶液中进行研究。先前的研究表明，当暴露在高 CO2 气体浓度 (30%v) 下时，Ca(OH)2 水溶液具有良好的效率7.作为固体吸附剂，主要应用Istituto di Scienze e Tecnologie per L’Energia e la Mobilità Sostenibili——意大利国家研究委员会，viale马可尼，4，80125 那不勒斯，意大利。电子邮件：mariaantonietta.costagliola@stems.cnr.it 科学报告|(2022) 12:10518 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14235-52碱石灰 (Ca(OH)2)无水锂LiOH 一水合物 (LiOH∙H2O)纯度，%> 75> 98≥ 98粒度测定颗粒颗粒粉末（~ 30–250 μm）分子量，克/摩尔74,09323,9541,96密度，克/厘米322,541,51沸点––100 °C @ 1013 hPa危害识别皮肤腐蚀性 I B, H314 造成严重皮肤灼伤和眼损伤急性毒性，口服（4 类），H302 皮肤腐蚀（1B 类），H314急性毒性，口服（4 类），H302 皮肤腐蚀（1B 类），H314表格1。吸附剂的化学和物理特性。文献中可用的指的是高温（吸收接近 800 °C，解吸接近 1000 °C）8.由于碳酸盐在固体吸附剂表面的不渗透性堆积，吸收速率相对较快并且下降。由于反应的非均相性质，事实上，在反应开始时在反应颗粒周围形成碳酸盐表面产物层是不可避免的10.过去，用于吸收二氧化碳的氢氧化锂 (LiOH) 的主要应用是空间生命支持系统、航天飞机环境控制和海底洗涤系统。由于 LiOH 的摩尔质量低，LiOH 和 CO2 之间的不可逆和放热反应在室温下发生，具有高吸收能力。 LiOH 的吸附能力很大程度上取决于 CO2 流中的水分含量11.对吸附 LiOH 的沸石的研究表明，在环境温度下，最大的 CO2 吸收发生在 65-70% 的相对湿度值12.假设形成一水合氢氧化锂作为中间化合物来解释水蒸气对反应的影响13.为此原因，它可以很容易地用于从内燃机富含水分的废气中去除二氧化碳。这两种固体吸附剂在实验室试验装置中进行了检查，该试验装置模拟了用于内燃机烟道气的 CO2 吸收器单元。吸附剂布置在固定床反应器中，并研究了几个操作参数（空速、粒度、温度、水分含量）。材料和方法固体吸附剂。使用两种低成本固体吸附剂研究了 CO2 捕获：碱石灰和氢氧化锂。在这两种氢氧化物的当前用途中，有用于医疗设备、航天器、潜艇和循环呼吸器的呼吸气体净化系统，用于从呼出气体中去除二氧化碳。碱石灰（GE Healthcare 的 Medisorb）由 75%w Ca(OH)2、3%w NaOH 和水组成。它表现为白色颗粒（网眼 2.5-5 毫米），对眼睛、皮肤和呼吸系统有刺激性（表 1）。相对密度 2 g/cm3 并且微溶于水。还研磨颗粒以获得精细尺寸的碱石灰（粉末，目数 10-50 μm），以暴露于 CO2 吸收。测试了两种氢氧化锂配方：无水 (LiOH) 和一水合物 (LiOH·H2O)。 LiOH 以颗粒形式提供，LiOH·H2O 以粉末形式提供，网孔 30–250 μm（Sigma-Aldrich，试剂级 ≥ 98%，表 1）。它们的分类表明急性毒性和皮肤腐蚀。 LiOH的相对密度为2.54 g/ cm3, LiOH·H2O 为 1.51 g/cm3. LiOH 无水和一水合物分别测试并混合 (50–50%v)。混合固体的特征在于具有两个主要优点的混合粒度（粉末和颗粒）。一是与无水颗粒相比表面积更大，明显增强了CO2的吸收；第二个是与水合物固体相比含水量较低，这避免了颗粒团聚的不良影响。图 1 报告了两种吸附剂的 SEM 图像。试验工厂描述。图 2 图解了为实验活动开发的实验室设备。石英圆柱形反应器（长度 = 50 厘米，直径 = 1.4 厘米）用于测试固体吸附剂。吸附剂被插入反应器内并使用玻璃纤维尖端固定。尽管气体流量设置为 8 l/min，但通过改变反应器内吸附剂的高度来改变空间速度（每体积单位的体积流量，后处理催化剂设计的关键参数）。反应器装在一个圆柱形加热器中，该加热器能够将温度从环境温度设置到 1000 °C。将热电偶插入熔炉以控制反应器附近达到的温度。反应器的入口流量由质量流量控制器（0-20 l/min，Bronkhorst）调节，连接到装有 CO2 的气瓶；反应器的输出流被送到水分分离器、流量计，然后送到 Horiba 的非分散红外 (NDIR) 分析仪。在分析仪的取样线上，插入了一个排气口，用于流出反应器的溢流。插入阀门 V3 和 V4 以允许测量气体入口浓度。在这种情况下，实际上气瓶是直接与分析仪连接的，无需经过反应器。为了分析含水量的影响，入口气体在到达反应器之前通过三通阀 (V2) 转移到加湿器（Permapure 的 NafionTM MH 系列加湿器管）。通过这种方式，在干燥和潮湿条件下研究了吸附剂。加湿器的蒸馏水装在一个带刻度的注射器中，热电偶记录它的温度。在增湿器出口处，待处理的湿流被送到反应器。进入反应器的水含量由 Horiba 分析仪使用 NDIR（非分散红外检测器）检测器测量。此外，在整个过程中系统吸收的总水量 科学报告|(2022) 12:10518 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14235-53加热器反应堆图1。钠钙粉末（左侧）和 LiOH·H2O（右侧）的 SEM 图像。[二氧化碳出去]写TSV4吨RTS[一氧化碳在], [H O ]发泄MFC：质量流量控制器 MFM：质量流量计 Vx：阀门WR：除水剂V1MFC水V2V3问在H2 英寸TS：热电偶 H：加湿器ANR：NDIR 分析仪（Horiba Mexa 7200）图 2。试点工厂计划。气瓶测试的持续时间通过刻度注射器中包含的初始体积和最终体积之间的差异来衡量。碳酸化能力测量。在整个测量反应器上游和下游的 CO2 浓度的过程中，根据以下等式连续测量碳酸化能力。 (1)。C=问[一氧化碳2]工业毫米波吨[一氧化碳2]出去1−dt0[一氧化碳2在(1)其中： C：碳酸化能力，moleCO2/kg 吸附剂，Q：体积流量，m3/min, [CO2]in: 入口 CO2 浓度, ppmv, [CO2]out: 出口 CO2 浓度, ppmv, d: CO2 密度, 1976 g/m3, m: 吸附剂的质量, kg, MW: CO2 分子量。碳酸化能力随着时间的推移而增加，直至反应器出口处的二氧化碳浓度等于入口处的二氧化碳浓度时达到最大值。在实验测试中，当[CO2]out 为[CO2]in 的95% 时，考虑最大碳酸化能力。MFM1ANRMFM22 科学报告|(2022) 12:10518 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-14235-544,54,03,53,02,52,01,51,00,50,0050100150200250300350温度，摄氏度图 3。碱石灰碳酸化能力随温度的变化。图 4。空间速度的影响 (一个) 和粒度测定 (b) 对碱石灰碳酸化能力的影响。在暴露的氢氧化物的扫描电子显微镜 (SEM Phenom Pro X) 分析中，还离线评估了吸附剂的碳吸收量。 SEM 配备了用于元素分析的能量色散光谱 (EDS) 检测器。 5 kV 的低加速电压用于成像，以防止后向散射现象14.相反，15 kV 的电压用于 EDS 分析。对于 SEM-EDS 分析，未暴露的样品被压制成片剂，而暴露的样品通过碳贴纸固定在铝支架上。结果与讨论钙和氢氧化锂的性能。在环境温度和 300 °C 之间的范围内测试了 Ca(OH)2 的 CO2 吸收。结果报告在图 3 中，它显示了颗粒和粉末在干燥条件下的碳酸化能力（molCO2/kg 吸附剂）。对 Ca(OH)2 颗粒进行了两种空速 (SV) 测试：31,200 和 15,600 小时−1.查看所有数据，在 80 至 100 °C 的温度范围内观察到最高的碳化效率。对于高于 100 °C 的温度，由于吸附剂湿度的损失，碳酸化能力会降低。如上所述，事实上，碱石灰含有几乎 10-15% 的水，可促进碳酸化反应。事实上，当温度使水蒸发成为可能（> 100 °C）时，碳酸化反应不会增强。在所研究的温度下，主要的碳酸化反应直接涉及 Ca(OH)2 根据以下方程式。 (2)。钙(哦)2+二氧化碳=碳酸钙+水(2)它一直持续到 350–400 °C；相反，在较高温度下，Ca(OH)2 可能会脱水为 CaO15.有论文指出Ca(OH)2碳酸化的