吸附法捕集二氧化碳的動態吸附實驗
一、實驗目的
了解吸附法捕集CO2的原理；掌握碳捕集吸附劑的性能評價方法；掌握動態吸附實驗裝置的操作原理與使用方法。
二、實驗背景
CO2過量排放會導致全球變暖、海平面上升、土地沙漠化等生態問題，阻礙人類社會的可持續發展。然而隨著工業化進程加快，人類活動對化石燃料的需求持續增加，CO2的排放呈現穩增不減的趨勢。我國正在積極響應國際上關于碳減排的號召，提出了“碳達峰·碳中和”政策以促進CO2減排。對于CO2含量高的尾氣，如燃煤發電過程產生的CO2，碳捕集難度小、成本低；而對于CO2含量低的尾氣，如燃煤電廠煙道氣、石灰窯氣及堿廠碳化尾氣等，CO2分離和富集難度大，碳捕集成本高。基于此，吸附法在捕集低濃度CO2時具有工藝可實現性好、工藝成熟度高、能耗投資低及設備成本低等有點，因而被認為是捕集低濃度CO2極具發展潛力的技術。
動態吸附實驗裝置是氣體吸附工藝中評價吸附劑吸附性能的典型方法。如圖1所示。
圖1 CO2動態吸附實驗裝置
CO2動態吸附實驗裝置由供氣系統（氣瓶）、混合系統（混合管）、吸附床層、加熱系統和尾氣檢測系統（氣相色譜）組成。原料氣由15%的CO2和85%的N2（體積分數）組成，由氣體色譜分析氣體中CO2的含量。使用沿床柱豎直均布的熱電偶檢測床內溫度，纏繞的加熱系統控制平均溫度到定值，壓力表監測床柱壓力，分析儀和數據采集軟件記錄出口氣體成分，通過調整質量流量控制器、床柱進出口的針閥開度分別調節工況的煙氣體積流量、吸附壓力。
三、實驗內容與原理
吸附是一種與表面能有關的表面現象，常分為物理吸附（靠吸附劑與吸附質之間的分子作用）、化學吸附（靠化學鍵力作用）和離子交換吸附（靠靜電引力作用）三種類型。影響吸附過程的因素包括吸附劑的物理化學性質、吸附質的物理化學性質、吸附條件（溫度、壓力、時間等）、共存物的競爭吸附等。吸附法是利用固體物質表面對氣體或液體分子具有吸著能力的方法。在碳捕集時，使用多孔固體吸附劑進行CO2的定向吸附實現分離，再通過脫附獲得高濃度的CO2。根據吸附工藝的差異，可分為變壓吸附、變電吸附以及變溫吸附。常用的吸附劑有碳基材料（活性炭、活性碳纖維、碳納米管等）、堿金屬基材料以及固體胺類材料等。
四、實驗裝置及操作流程
（1）啟動準備
① 檢查實驗裝置和全部電氣連接線有無異常（如管道設備無破損，活接均已緊固到位等），一切正常后開始操作；
② 檢查氣瓶中氣體余量、減壓閥狀態，打開氣體濃度測試儀器預熱。檢查確定氣體氣體流量計前閥門的開啟狀態；
③ 確定氣體混合管連接處處于密閉狀態，所有采樣口閥門處于關閉狀態。打開控制箱主電源開關，檢查溫度表盤顯示是否正常。
（2）系統的啟動與運行
① 使用氦氣吹掃系統5分鐘后，關閉氦氣進料閥。關閉吸附床層進料閥。打開氮氣進料閥待其流量穩定后緩緩打開二氧化碳進料閥，使其與氮氣的進料比例穩定后，用氣袋取樣，并使用氣相色譜分析二氧化碳的濃度，使濃度達到設定濃度；
② 啟動加熱器開關，同時開始觀察吸附床層的溫度變化。待其溫度到達試驗所需設定值時，可以開始吸附階段；
③ 緩慢打開吸附床層進料閥，使混合原料氣緩慢進入到吸附床層中發生吸附作用。開啟數據自動采集系統，使用氣相色譜動態檢測尾氣中二氧化碳的濃度；
④ 數據自動采集系統通過吸附床層上段的吸附采樣口采樣測定氣體中二氧化碳的濃度(可手動通過氣相色譜或其他檢測儀器進行檢測)；
⑤ 調節入口氣體流量、濃度、氣固比等參數進行試驗，數據采集系統將測定顯示相關參數。
（3）系統的停止
① 實驗結束后，首先關閉加熱器、關閉氮氣和二氧化碳，打開氦氣，吹掃5分鐘后檢測尾氣中氮氣和二氧化碳的含量；
② 待尾氣中氮氣和二氧化碳含量降為0后，關閉氦氣。關閉氣體檢測系統；
③ 關閉吸附塔入口管閥，動態吸附實驗過程結束；
④ 關閉主電源開關。
五、注意事項
（1）電加熱系統啟動后，系統部分管段、管線溫度升高，切記注意安全；
（2）吸附床層出口務必通過管道連接排放至通風櫥；
（3）氣瓶屬于高壓裝置，其使用方法應嚴格按實驗室的相關安全規程運行管理。
六、總結與討論
（1）通過實驗獲得給定溫度和壓力下的二氧化碳吸附穿透曲線；
（2）通過擬合明確活性炭吸附二氧化碳的動力學模型及吸附動力學參數。
