吸附法捕集二氧化碳的动态吸附实验
一、实验目的
了解吸附法捕集CO2的原理；掌握碳捕集吸附剂的性能评价方法；掌握动态吸附实验装置的操作原理与使用方法。
二、实验背景
CO2过量排放会导致全球变暖、海平面上升、土地沙漠化等生态问题，阻碍人类社会的可持续发展。然而随着工业化进程加快，人类活动对化石燃料的需求持续增加，CO2的排放呈现稳增不减的趋势。我国正在积极响应国际上关于碳减排的号召，提出了“碳达峰·碳中和”政策以促进CO2减排。对于CO2含量高的尾气，如燃煤发电过程产生的CO2，碳捕集难度小、成本低；而对于CO2含量低的尾气，如燃煤电厂烟道气、石灰窑气及碱厂碳化尾气等，CO2分离和富集难度大，碳捕集成本高。基于此，吸附法在捕集低浓度CO2时具有工艺可实现性好、工艺成熟度高、能耗投资低及设备成本低等有点，因而被认为是捕集低浓度CO2极具发展潜力的技术。
动态吸附实验装置是气体吸附工艺中评价吸附剂吸附性能的典型方法。如图1所示。
图1 CO2动态吸附实验装置
CO2动态吸附实验装置由供气系统（气瓶）、混合系统（混合管）、吸附床层、加热系统和尾气检测系统（气相色谱）组成。原料气由15%的CO2和85%的N2（体积分数）组成，由气体色谱分析气体中CO2的含量。使用沿床柱竖直均布的热电偶检测床内温度，缠绕的加热系统控制平均温度到定值，压力表监测床柱压力，分析仪和数据采集软件记录出口气体成分，通过调整质量流量控制器、床柱进出口的针阀开度分别调节工况的烟气体积流量、吸附压力。
三、实验内容与原理
吸附是一种与表面能有关的表面现象，常分为物理吸附（靠吸附剂与吸附质之间的分子作用）、化学吸附（靠化学键力作用）和离子交换吸附（靠静电引力作用）三种类型。影响吸附过程的因素包括吸附剂的物理化学性质、吸附质的物理化学性质、吸附条件（温度、压力、时间等）、共存物的竞争吸附等。吸附法是利用固体物质表面对气体或液体分子具有吸着能力的方法。在碳捕集时，使用多孔固体吸附剂进行CO2的定向吸附实现分离，再通过脱附获得高浓度的CO2。根据吸附工艺的差异，可分为变压吸附、变电吸附以及变温吸附。常用的吸附剂有碳基材料（活性炭、活性碳纤维、碳纳米管等）、碱金属基材料以及固体胺类材料等。
四、实验装置及操作流程
（1）启动准备
① 检查实验装置和全部电气连接线有无异常（如管道设备无破损，活接均已紧固到位等），一切正常后开始操作；
② 检查气瓶中气体余量、减压阀状态，打开气体浓度测试仪器预热。检查确定气体气体流量计前阀门的开启状态；
③ 确定气体混合管连接处处于密闭状态，所有采样口阀门处于关闭状态。打开控制箱主电源开关，检查温度表盘显示是否正常。
（2）系统的启动与运行
① 使用氦气吹扫系统5分钟后，关闭氦气进料阀。关闭吸附床层进料阀。打开氮气进料阀待其流量稳定后缓缓打开二氧化碳进料阀，使其与氮气的进料比例稳定后，用气袋取样，并使用气相色谱分析二氧化碳的浓度，使浓度达到设定浓度；
② 启动加热器开关，同时开始观察吸附床层的温度变化。待其温度到达试验所需设定值时，可以开始吸附阶段；
③ 缓慢打开吸附床层进料阀，使混合原料气缓慢进入到吸附床层中发生吸附作用。开启数据自动采集系统，使用气相色谱动态检测尾气中二氧化碳的浓度；
④ 数据自动采集系统通过吸附床层上段的吸附采样口采样测定气体中二氧化碳的浓度(可手动通过气相色谱或其他检测仪器进行检测)；
⑤ 调节入口气体流量、浓度、气固比等参数进行试验，数据采集系统将测定显示相关参数。
（3）系统的停止
① 实验结束后，首先关闭加热器、关闭氮气和二氧化碳，打开氦气，吹扫5分钟后检测尾气中氮气和二氧化碳的含量；
② 待尾气中氮气和二氧化碳含量降为0后，关闭氦气。关闭气体检测系统；
③ 关闭吸附塔入口管阀，动态吸附实验过程结束；
④ 关闭主电源开关。
五、注意事项
（1）电加热系统启动后，系统部分管段、管线温度升高，切记注意安全；
（2）吸附床层出口务必通过管道连接排放至通风橱；
（3）气瓶属于高压装置，其使用方法应严格按实验室的相关安全规程运行管理。
六、总结与讨论
（1）通过实验获得给定温度和压力下的二氧化碳吸附穿透曲线；
（2）通过拟合明确活性炭吸附二氧化碳的动力学模型及吸附动力学参数。