微波辅助合成多孔钙基陶瓷及强化循环吸收CO2性能研究

钙基陶瓷循环吸收CO2是最具发展前景的高温化学捕集CO2的有效方法之一。如何高效、低成本控制钙基陶瓷的微观结构、形貌及发展循环吸收过程强化技术以促进其循环吸收的稳定性是本领域亟待解决的关键科学问题。本项目以廉价的氯化钙、硝酸钙等为钙源，以资源丰富、具有不同结构的精制硅藻土、海泡石为稳定骨架，采用微波水热法快速、高效、低成本合成负载型多孔钙基陶瓷。深入研究并科学阐述微波水热条件对钙基陶瓷微观结构及形貌控制规律。采用孔径分析、化学程序脱附及热重分析相结合的方法，阐明钙基陶瓷表面特性与其循环吸收CO2性能之间的内在关系。通过揭示在微波场作用下CO2在钙基陶瓷上的吸收-解吸行为、强化规律及对吸收-解吸过程动力学的分析，建立微波场作用下强化循环吸收CO2的方法和理论。该研究将为微波技术在CO2捕集中的应用提供重要的理论依据和实践指导，并为我国高效、低成本固定CO2探索一条新思路。

钙基吸附剂在高温循环吸附CO2的过程中烧结而导致循环性能迅速降低是目前需要解决的关键问题。本项目采用不同制备方法，不同的掺杂剂种类制备了一系列钙基CO2吸附剂，并初步分析了其吸附CO2的机理，同时探讨了钙基吸附剂的吸附动力学。具体结论如下：. (1)以尿素和氯化钙为原料，通过水热法和微波水热法制备了较高吸收容量和较优异循环性能的多孔针状CaO吸收剂。并以吸收容量为响应值利用响应曲面法对碳酸钙前驱体的制备条件进行了优化。研究结果表明，由微波水热法在最佳制备条件(尿素与氯化钙的摩尔比为7:1， 110℃微波水热79min)下得到的CaO吸收剂的吸收容量为76.67%。研究了稀土元素掺杂种类和掺杂量对CaO吸收剂吸收性能的影响。结果表明：掺杂多孔钙基吸收剂显示了较高的吸收容量和较优异的循环吸收性能。掺杂1.5%的Ce得到的吸收剂经16次循环之后吸收容量可达62.52%。.(2)采用废弃的鸡蛋壳作为钙源，以工业废弃物铝土矿尾矿和赤泥作为添加剂对钙基吸附剂进行改性，考察改性吸附剂的循环特性，并对钙源、掺杂量、预煅烧温度、添加剂处理条件、吸附动力学和吸附剂微观结构性能等进行了系统的研究，以期达到以废治废的目的。主要内容分为以下四部分：.1)以铝土矿尾矿作为添加剂，得到掺杂铝土矿尾矿的钙基吸附剂；考察不同钙源、掺杂量、预煅烧温度对循环性能的影响。研究表明以铝土矿尾矿作为添加剂时，采用水合鸡蛋壳作为钙源、掺杂量达到10wt%时，吸附剂的循环性能最佳，20次循环后为51.33%；预煅烧对循环性能无明显促进作用；.2)以赤泥作为添加剂；首先赤泥要进行柠檬酸酸浸处理，通过响应曲面试验设计优化实验，得到较佳酸浸条件；考察了不同钙源、掺杂量、预煅烧温度对循环性能的影响。.3)采用XRD、SEM和BET等的分析得出，赤泥中的Na会危害钙基吸附剂的循环性能，柠檬酸酸浸可以几乎完全去除赤泥中的Na；铝土矿尾矿或赤泥中的Al2O3和鸡蛋壳反应生成的钙铝石（Ca12Al14O33）是提高循环性能的主要因素。.4)根据钙基吸附剂碳酸化反应过程中快速反应和慢速反应这两个阶段的特点，分别采用收缩未反应核模型和阿弗拉米-埃罗费夫（Avrami-Erofeev）模型建立动力学方程，拟合得到反应活化能等动力学参数。