CaO-Ni催化集成二氧化碳捕集与甲烷化转化实验研究

作     者：郭真良 

作者单位：华中农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚丁丁

授予年度：2023年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：二氧化碳 捕集与利用 甲烷化 双功能材料 

摘      要：二氧化碳的大量排放对环境带来了巨大压力,基于二氧化碳的捕集和转化研究对于改善环境问题具有重要意义。当前规模化二氧化碳处理方式主要采用二氧化碳捕集与封存,即通过化学吸收或矿化后将高浓度二氧化碳储存下来,后运输至化工厂利用或封存至地下。尽管这种方式可较快速、经济地实现碳减排,然而其运输和存储过程带来的成本问题不容忽视。基于此,本文提出了一种集成二氧化碳捕集与甲烷化转化(ICCU)一体化工艺,采用Ca O-Ni双功能材料,通过二氧化碳的捕集和就地原位甲烷化转化,旨在实现碳捕集与碳资源高值利用的协同处置。合适的反应条件(温度、反应时间、催化剂的负载量)对于二氧化碳的捕集和转化效率影响显著。论文首先研究了不同的反应工况包含甲烷化温度(350、400、450、500°C)以及反应时间(10、20、30 min)对Ca O-Ni双功能材料催化二氧化碳吸附和甲烷化性能的影响。结果表明,在本实验环境下随温度增加,甲烷产量先增加后减少。随着反应时长的增加,甲烷产量先增加后趋于平稳。当温度为450°C,反应时间为30 min时,双功能材料的催化活性达到最高,且此时循环稳定性较好,循环5次后二氧化碳转化率及甲烷产量没有明显下降。此外,研究了催化剂中镍的负载量(2.5%、5%、10%、20%)对产物的影响。随着镍负载量的增加,二氧化碳吸附量和甲烷产量呈现先增加后减少趋势。在温度为450°C,时长为30 min,Ni负载量为10%时,Ca O-Ni基双功能材料活性达到最佳,平均吸附量达到0.23 mmol/g ,平均甲烷产量为0.20 mmol/g ,平均二氧化碳转化率达88.4%。为了提升双功能材料的ICCU活性与稳定性,选用金属基载体(AlO、Ce O)以及碳基载体(多壁碳纳米管、石墨烯)对Ca O-Ni基双功能材料进行负载改性,研究其对于二氧化碳吸附量与甲烷产率的影响。结果表明,采用金属基载体的双功能材料的甲烷产量和二氧化碳转化率要高于碳基载体,Ca Ni Al和Ca Ni Ce样品最高甲烷产量分别达到0.23和0.24 mmol/g ,平均二氧化碳转化率为95.36%和87.57%。但Ca Ni M和Ca Ni G样品呈现更好的循环稳定性,甲烷产量衰减率为8.81%和15.8%。为了进一步改善双功能材料对于二氧化碳的吸附性能从而提升其催化碳转化效率,论文采用碱改性、酸改性以及掺氮改性对载体进行活化预处理,探究了改性方式对集成二氧化碳捕集与甲烷化性能的影响。结果表明,掺氮改性的多壁碳纳米管载体有更高的吸附量和甲烷产量,平均值分别达到0.27和0.23mmol/g 。在这基础上,探究了不同掺氮量的影响,结果表明,随着掺氮量的增加,甲烷产量也随之增加。当氮源与载体比例为1:4时,在多次循环后产物气中检测到一氧化碳的形成,降低了甲烷的选择性。而当比值为1:3时,甲烷化的反应性最高。二氧化碳吸附量和甲烷产量的平均值分别达到了0.27和0.25mmol/g ,多次循环中,平均二氧化碳转化率达到90.5%。