[發明專利]一種含離子傳輸通道的高活性鈣基吸收劑及其制備方法

在審

• 申請號: 202110324484.5
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113041833A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 李明春;任龍;郭銀彤
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: B01D53/81
• 分類號: B01D53/81;B01D53/62
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 宋鐵軍

本發明涉及一種含離子傳輸通道的高活性鈣基吸收劑及其制備方法，屬于潔凈煤燃燒碳捕集技術領域。通過水合離子吸附工藝在鈣基吸收劑中引入Na⁺的同時，獲得多峰分布的發達孔隙結構；吸收劑晶粒尺寸范圍在150～300nm之間，伴生空位與晶粒堆積形成包括1～2nm的微孔、2～10nm的介孔以及100～500nm的大孔的寬覆蓋范圍多孔結構；Na⁺的引入提高了CaO顆粒表層的氧空位濃度，促進CaCO₃產物層形成后兩側的離子遷移，使更多失活CaO參與碳酸化反應，實現提高轉化效率。制備方法為：配制Na₂CO₃乙醇水溶液，然后將天然石灰石煅燒產物CaO均勻分散于溶液中，充分攪拌，保證水合反應完全；靜止吸附一定時間后，固液分離并烘干粉體，經900～950℃下煅燒后研磨成細粉。

技術領域

本發明屬于潔凈煤燃燒碳捕集技術領域，具體涉及一種以天然石灰石為原料的高活性鈣基吸收劑及制備方法。

背景技術

盡管現代科技已經發展到較高的水平，但是人類目前所依賴的能源結構仍以化石燃料為主，化石燃料燃燒過程中會產生大量的CO₂等溫室氣體，嚴重破壞了生態環境，因此必須采取有效的解決措施，減少CO₂向大氣中的排放。

鈣基吸收劑循環碳化/煅燒反應分離技術(Cyclical Carbonation-CalcinationReactions)的原理為：使CaO與煙氣中CO₂發生碳酸化反應生成CaCO₃，然后經過高溫煅燒，CaCO₃分解成CaO和純凈的CO₂氣體，此時可以將純凈的CO₂氣體統一封存達到碳捕集的目的，煅燒產物CaO用于下一個循環中。該方法原料儲量豐富(天然石灰石)，捕集成本較低，并且操作簡單，適用于高溫環境下的碳捕集，因此成為當前燃煤電站大規模捕集CO₂的主要方法之一。

然而天然鈣基吸收劑在循環碳化/煅燒反應過程中，其CO₂吸附效率會隨循環次數的增加急劇下降，導致此現象的根本原因是CaCO₃塔曼溫度低于實際煅燒溫度，經煅燒后的再生CaO顆?？紫栋l生變化產生燒結，導致孔隙率和比表面積減小。除此以外，天然鈣基吸收劑還存在如下問題：當孔隙豐富的CaO顆粒與CO₂氣體接觸發生反應時，CO₂會優先與CaO表層顆粒接觸，迅速在CaO表層反應生成高摩爾體積的CaCO₃產物層，隨著產物層厚度的逐漸增加導致CO₂向CaO顆粒內部的擴散阻力增大，最終使氣體傳輸通道堵塞，導致反應不完全。為了改善鈣基吸收劑的綜合利用性能，已有學者做了大量研究，如惰性金屬氧化物摻雜、引入耐高溫骨架、離子摻雜、水合活化以及調制處理等，并取得了良好的進展。然而其中一些改性手段成本較高、工藝復雜，難以應用于實際。目前絕大多數工作都局限在保護骨架的引入方面，而較少有從調控吸收劑晶格角度出發，通過離子摻雜提升吸收劑的反應活性。目前已有研究表明，采用溶膠-凝膠法制備的摻雜La³⁺、Mg²⁺的復合鈣基CO₂吸收劑，可以有效提升轉化效率，其原因在于：摻雜La³⁺、Mg²⁺的鈣基吸收劑可以有效地減小CaO晶粒的尺寸，并且由于摻雜的La³⁺可以進入CaO晶體與Ca²⁺發生不等價替換，導致陽離子空位增加，活化晶格。然而該方法對于天然鈣基吸收劑來說，制備成本較高，并且需要特定的鈣前驅體，不適用于大規模應用。

發明內容

發明目的：為了克服上述存在的孔隙率和比表面積小、氣體傳輸通道堵塞導致反應不完全，采用上述復雜制備方法成本較高，不適用于大規模應用等技術問題，本發明提供了一種含離子傳輸通道的高活性鈣基吸收劑的制備方法，借助Na⁺的引入提高CaO顆粒表層的空位缺陷濃度，促進CaCO₃產物層形成后兩側的離子遷移，使更多失活CaO參與碳酸化反應，達到提高轉化效率的目的。