新型Li4SiO4吸附剂低浓度CO2气氛下脱碳机理研究

Li4SiO4 sorbent has received significant attention in high-temperature carbon capture field due to its lower regeneration temperature and better cyclic stability. However, the sorbent produced from conventional solid state reaction exhibits poor kinetics such as very slow reaction rate and low absorption capacity under low CO2 concentrations of realistic conditions, which largely resists the practical application of Li4SiO4. This project will perform a series of investigations on the mentioned problems, finding the effects of suitable precursors selection, the alkali carbonate doping, the acid modification, the inert supports addition, and pelletizations on the performance of Li4SiO4 sorbent, through the changing mechanism of surface micromorphology, pore structure, reaction kinetics constants, and mechanical properties, to optimize the fabrication process, hence obtaining the Li4SiO4 sorbent with high and cyclically stable capability under low CO2 concentrations. Moreover, the research on effect of the vapour and impurities on the sorption of Li4SiO4 under the condition of circulating fluidization will be conducted, to develop the practical application of Li4SiO4 and provide an effective solution for high-temperature carbon capture field.

Li4SiO4吸附剂由于其煅烧再生温度低以及较优的循环稳定性，在高温碳捕集领域受到了广泛关注。传统固相合成法制备的Li4SiO4吸附剂在实际的低浓度CO2工况下反应速率慢、吸附量低等缺陷限制了其实际应用。本项目针对此问题开展一系列研究，探究前驱体选用，碳酸碱盐掺杂、惰性载体添加、有机酸改性以及成型造粒过程对Li4SiO4性能的影响，结合吸附剂微观表面形态、孔隙结构、反应动力学常数以及机械性能等变化规律，优化制备工艺，得到在低浓度CO2气氛下具有高吸附量及循环稳定的Li4SiO4吸附剂颗粒。进一步研究流化循环条件下水蒸气和多种杂质气体对Li4SiO4吸附剂的影响，推进Li4SiO4吸附剂的实际应用，为高温碳捕集提供一种有效的解决方案。

本项目针对传统固相合成法制备的Li4SiO4吸附剂在实际的低浓度CO2工况下反应速率慢、吸附量低等问题，围绕着硅源优选、锂源优选、合成方法优化以及对合成后吸附剂进行改性（物理改性、化学改性）四个角度出发分别研究了有效提升吸附剂性能的可选手段，并深入挖掘了它们对吸附剂性能提升的深层次作用机理。结果表明，采用矿物、生物质灰等天然廉价硅源可以替代传统硅源，由浮石制备的吸附剂在15vol.%CO2气氛下经22次循环后吸附容量稳定在0.09-0.10g/g；采用有机酸锂为前驱体可以制备出比表面积更大、孔隙度更加发达、微观结构疏松多孔的新型Li4SiO4吸附剂，深入研究了碳酸碱盐掺杂改性Li4SiO4吸附剂的影响机理是形成了低温共熔物，降低了CO2的扩散阻力，并提出了一种具备优异吸附性能及吸附速率Li4SiO4基吸附剂的喷雾干燥合成方法，该方法制得吸附剂经50次循环后吸附容量稳定在0.248g/g；从合成方法出发，提出了一种可以定向合成具备优异吸附性能及超快吸附速率Li4SiO4基吸附剂微球的两相法，在此温度下定向合成的吸附剂具备最大的比表面积（6.71m2/g）、最高的孔容（0.036cm3/g）以及最佳的结构形貌（直径1~2μm、具备一定空壳结构、大小均一的微米球），在15vol.%CO2气氛下仅吸附5min即可达到约0.184g/g的吸附量；深入研究最常用的改性方法：机械研磨，熔融掺杂，并探究改性过程机理及关键参数，为深入认识Li4SiO4吸附剂的改性过程提供了理论基础。.此外，针对吸附剂实际应用存在磨损淘析问题，首创性地基于不同成型原理提出了石墨床一步成型法及液氮-冷冻干燥一步成型法，可便捷地由前驱体直接一步合成兼具较佳脱碳性能与机械性能的球形Li4SiO4基吸附剂颗粒，其后还在石墨床一步成型法的基础上耦合了钕掺杂改性更进一步提升球形吸附剂颗粒的脱碳性能，并深度探究发掘了对应的掺杂改性作用机理。.项目从如上方面逐条展开深入研究及机理揭示，最终获得了适用于实际流化系统在低浓度CO2气氛下高性能成型Li4SiO4基吸附剂颗粒，推动其实际工业源尾气碳捕集应用的可能性，为高温碳捕集提供一种有效的解决方案。