基于碳材料极性官能团与电场耦合的CO2吸附捕集方法与流程

文档序号:41222673发布日期:2025-03-11 14:00阅读:27来源:国知局

本发明涉及一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,属于co2吸附捕集。


背景技术:

1、co2捕集利用与封存(ccus)技术被视为电力行业实现co2近零排放的关键技术路径。在ccus技术链条中,co2捕集环节不仅成本最高,而且能耗最大,是决定系统成本和能效的关键环节。因此,开发高效、低成本的co2捕集工艺对于推动ccus技术的广泛应用至关重要。

2、当前co2捕集工艺中,采用固体多孔材料的物理吸附工艺具有co2回收难度低、吸附剂可无害化循环使用以及co2吸脱附温度窗口与烟气环境匹配良好等等优势,被视为下一代低成本、低能耗co2捕集工艺的重要发展方向。

3、在co2吸附捕集领域吸附剂材料的性能仍是制约工艺发展的关键因素。工业烟气co2排放通量大,但浓度较低(10~20vol%),这要求吸附剂材料必须同时具备高吸附选择性、大吸附容量以及低再生能耗。然而,现有的co2吸附剂材料在吸附容量、吸附选择性与再生能耗之间往往难以兼顾。

4、以商用碳基吸附剂为例,通过极性官能团嫁接可以有效提升吸附容量与吸附选择性。相关研究(j.mater.chem.a2016,4,18248-18252;carbon2016,109,747-754)表明,在碳材料内引入不到10at%的氮/氧官能团,就能使co2吸附容量提升1倍,co2/n2吸附选择性提升20-30倍。然而,这一改进同时也带来了显著的问题:极性官能团的引入会显著增加co2的等量吸附热,导致再生能耗显著增加。据测算(carbon 2024,225,119152),当碳基吸附剂内引入5at%的极性官能团时,低浓度co2的等量吸附热会增加1倍以上,进而使得co2捕集成本至少增加30%。

5、极性吸附剂再生能耗高的瓶颈主要来自两个方面:

6、一面极性吸附剂极性官能团与co2之间存在强烈的四极矩相互作用,虽然这种相互作用能显著提升吸附容量及吸附选择性,但在再生过程中克服这种相互作用同样需要高昂的能量输入;

7、二是极性吸附剂内co2非均匀分布,co2多聚集于极性官能团附近,而传统的热再生方法能量均匀作用到吸附剂表面,导致能量无效损耗高。

8、目前,仅通过调控吸附剂本征理化结构难以解决上述两方面问题。

9、因此,如何在提升co2吸附容量及吸附选择性的同时,实现低能耗再生,成为发展低成本烟气co2吸附捕集工艺亟需解决的关键技术难题。


技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题,本发明提供一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法。

2、实现上述目的,本发明采取下述技术方案:一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,所述方法包括如下步骤:

3、s1:对碳基吸附剂进行极性官能团定向嫁接;

4、s2:将s1所得碳基吸附剂与石英砂混合均匀;

5、s3:将混合均匀的碳基吸附剂与石英砂放置于固定床反应器内,并调控床层温压至所需;

6、s4:将含10~20vol%浓度的co2的工业烟气通入固定床反应器内;

7、s5:碳基吸附剂对co2进行吸附捕集;

8、s6:在碳基吸附剂对co2吸附饱和后对碳基吸附剂施加外加电场;

9、s7:碳基吸附剂进行热再生,所述热再生过程的温度为80~150℃。

10、s1所述碳基吸附剂的孔径小于0.7nm,碳基吸附剂的孔容不低于0.6cm3/g。

11、s1所述极性官能团的极性含氧官能团为羧基、羟基、羰基中的一种或多种组合。

12、s1所述极性官能团的极性含氧官能团含量为5~15at%。

13、s1所述极性官能团的极性含氮官能团为吡啶氮、吡咯氮、氨基、石墨氮中的一种或多种组合。

14、s1所述极性官能团的极性含氮官能团含量为5~10at%。

15、s3所述固定床反应器的工作温度为20~40℃。

16、s6所述外加电场的作用形式为外接电磁电极,所述电磁电极的电压为0.5~1.5v。

17、s6所述外加电场的作用形式为微波辐照,所述微波辐照的功率为50-100w。

18、s6所述外加电场的作用形式为焦耳加热,所述焦耳加热的电压为0.5-3v。

19、与现有技术相比,本发明的有益效果是:

20、本发明通过嫁接极性官能团至吸附剂表面,强化了co2的物理吸附能力,实现了从点到面的高效能量聚焦,提升了吸附剂对co2的高选择性和大容量吸附性能。使得吸附容量、吸附选择性与再生能耗之间达到了高效协同,提高了co2吸附捕集过程的整体能效。进一步地,通过特定种类及含量的官能团与特定强度的外加电场,引导能量定向聚焦于co2富集的极性官能团附近,使吸附点位兼具co2聚集与能量聚焦的双重功能,降低了无效能量消耗。相较于当前广泛应用的变温和变压吸附方法,在减少无效能量消耗的同时,实现了co2的高选择性大容量吸附与低能耗再生,有效突破了当前co2高效吸附与低能耗再生协同的技术瓶颈。在吸附剂再生阶段,外加电场与极性官能团的耦合作用促进了能量的高效聚焦,抵消极性官能团与co2之间的相互作用势场,使得吸附态的co2能够低能耗、快速地解吸,从而进一步提升了整个吸附捕集过程的能效。



技术特征:

1.一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:

2.根据权利要求1所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s1所述碳基吸附剂的孔径小于0.7nm,碳基吸附剂的孔容不低于0.6cm3/g。

3.根据权利要求2所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s1所述极性官能团的极性含氧官能团为羧基、羟基、羰基中的一种或多种组合。

4.根据权利要求3所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s1所述极性官能团的极性含氧官能团含量为5~15at%。

5.根据权利要求2所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s1所述极性官能团的极性含氮官能团为吡啶氮、吡咯氮、氨基、石墨氮中的一种或多种组合。

6.根据权利要求5所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s1所述极性官能团的极性含氮官能团含量为5~10at%。

7.根据权利要求1所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s3所述固定床反应器的工作温度为20~40℃。

8.根据权利要求6所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s6所述外加电场的作用形式为外接电磁电极,所述电磁电极的电压为0.5~1.5v。

9.根据权利要求6所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s6所述外加电场的作用形式为微波辐照,所述微波辐照的功率为50-100w。

10.根据权利要求6所述的一种基于碳材料极性官能团与电场耦合的co2吸附捕集方法,其特征在于:s6所述外加电场的作用形式为焦耳加热,所述焦耳加热的电压为0.5-3v。


技术总结
基于碳材料极性官能团与电场耦合的CO2吸附捕集方法,属于CO2吸附捕集技术领域。方法如下:对碳基吸附剂进行极性官能团定向嫁接后与石英砂混合均匀而后放于固定床反应器内并调控床层温压至所需;将含10~20vol%浓度的CO2的工业烟气通入固定床反应器内;碳基吸附剂对CO2进行吸附捕集饱和后对碳基吸附剂施加外加电场;碳基吸附剂进行热再生。本发明通过嫁接极性官能团至碳基吸附剂,结合外加电场实现了CO2的高效吸附与低能耗再生,提升了吸附剂对CO2的选择性和吸附容量,还通过引导能量定向聚焦于CO2富集区域,降低了无效能量消耗。

技术研发人员:孙飞,张春伟,谢敏,李俊峰,郭映竹,高建民,曲智斌
受保护的技术使用者:哈尔滨电气科学技术有限公司
技术研发日:
技术公布日:2025/3/10
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