摘要
自工业革命以来，化石能源的过度开发和使用导致大气中CO2浓度持续上升，从而引发极端天气、土地沙漠化、海平面上升和疾病爆发等一系列危害。针对燃煤电厂中排放的高温CO2混合气体，硅酸锂(Li4SiO4)被认为是具有极大应用潜力和发展空间的高温CO2吸附剂。但由于混合气体中的CO2浓度较低，导致Li4SiO4的吸附性能有所下降，针对该问题，本文制备了一种价格低廉的快稳型Li4SiO4基吸附剂，深入探究了影响其吸附性能的主要因素，并使用挤压滚圆法对其进行成型造粒，最后设计了高温变压式流化床CO2循环捕集系统，为推进该Li4SiO4基吸附材料的实际工程应用提供了必要的技术参数。 首先，以珍珠岩矿石粉末作为硅前驱体，通过高温固相法成功合成了Li4SiO4基CO2吸附材料。本文通过使用X射线荧光光谱仪验证了珍珠岩中含有多种杂质相元素，通过使用X射线衍射、场发射扫描电镜、比表面积与孔径测定等多种表征手段分析Li4SiO4吸附剂的结构、形貌以及比表面积，发现该吸附剂由大量松散且较小的二次团聚颗粒组成，比表面积相对更大，有助于提高材料的CO2捕集效率。其CO2吸附性能测试实验显示，珍珠岩-Li4SiO4相较于SiO2-Li4SiO4拥有更宽的吸附温度窗口(400-700℃)、更快的吸附速率以及更高的吸附容量。其在低CO2浓度(20vol％)条件下的最佳吸附量可达25.1wt％,此时化学吸附速率k1值为0.0089s-1,扩散速率k2值为0.00017s-1,经100个吸脱附循环后，其吸附容量仅降低1.7wt％。 为探究珍珠岩-Li4SiO4吸附性能优异的本质原因，进一步解析矿石中杂质组分对Li4SiO4吸附剂在不同CO2浓度条件下的吸附性能和循环稳定性的影响机制。本文以商业SiO2粉末为原料，利用杂质元素改性，制备出一系列Al-Li4SiO4和Na-Li4SiO4吸附剂。实验利用吸附动力学与循环稳定性试验，证实了珍珠岩-Li4SiO4吸附剂中的Al具有分隔与支撑的功能，发现Al的掺杂可显著提高Li4SiO4吸附剂的CO2吸脱附循环稳定性;并且阐明了Na的掺杂有助于提升Li4SiO4吸附容量和吸附动力学。DFT模拟计算发现，Al的掺杂会导致Li4SiO4表面能的下降，可提高吸附材料的稳定性;Na的掺杂会提升Li4SiO4最优暴露晶面的吸附能，有助于其吸附性能的提高。 为推进高温固体Li4SiO4基吸附材料的实际工程应用，通过采用挤压滚圆法对珍珠岩-Li4SiO4粉末进行成型造粒，并以纤维素作为造孔剂进行改性，研究发现当纤维素添加比例为10wt％时，材料具有最佳的吸附性能，在20vol％CO2条件下吸附量可达27.3wt％。同时，在传统流化床的基础上进行了升级，为优化后的珍珠岩-Li4SiO4吸附剂球粒设计了斜向紧凑型流化床CO2捕集系统及低能耗的循环再生方法。该系统有望缓解吸附球粒在使用过程中的磨损程度，提高使用效率，减少再生过程中的能量消耗。
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