我国机械工业吸收能力论文提纲

论文题目：基于液珠制备固体—液体杂化材料及其CO₂吸附性能研究

摘要：作为主要的工业排放物,CO2是引起全球“温室效应”的主要气体之一,如何控制CO2的过量排放已成为我国可持续发展的重大战略性问题。碳捕集与封存（CCS）技术是目前实现二氧化碳减排的有效途径。在多种CO2捕集技术中,化学吸收法因具有吸收速率快、容量高、分离纯度高等优点,成为当前发展较为成熟的方法。然而,目前化学吸收法普遍存在的高能耗、高成本、吸收剂容易挥发以及设备腐蚀严重等问题,导致其与实现大规模应用尚有一定的距离。与此同时,固体吸附剂吸收法由于具有操作条件温和、设备简单、对设备无腐蚀等优点,开始得到越来越多的关注与研究。其中,通过物理方法吸附CO2的微孔固体吸附剂,如沸石分子筛、活性炭、MOF等由于自身局限性,表现出吸附量低且极易被烟道气中的水蒸汽影响而失活。固体胺吸附剂由于吸附容量高,且对CO2的选择性好,可捕获低浓度的CO2（＜15%）,在二氧化碳捕获领域具有广阔的应用前景。这类吸附剂通常采用四乙烯五胺（TEPA）[或聚乙烯亚胺（PEI）]浸渍介孔材料,或将胺接枝到载体上制备得到。尽管固体胺吸附剂取得了令人瞩目的进步,但胺浸渍的吸附剂在多次循环使用过程中会存在胺损失,接枝胺吸附剂制备过程复杂。因此,尽管目前已经对各种液体和固体吸附剂进行了广泛研究,但是由于液体和固体固有的缺点,这些吸附剂仍不能很好地满足实际应用的要求,设计高效的CO2吸附材料是一项持续不断的挑战。本论文在已发展的CO2捕集方法基础上,针对液体和固体吸收剂存在的问题,以液珠为基础,将吸收溶液封装于具有疏水性多孔道的微胶囊中,并通过掺入介孔固体颗粒与溶液共组装,制备新型固体-液体杂化超球（solid-liquid hybrid superparticle,SLHSP）,并用于固定床连续化捕集CO2。具体研究包括以下几个方面:（1）通过疏水性辛基有机硅烷和亲水性三胺有机硅烷的混合物对大尺寸的介孔二氧化硅进行表面改性,赋予其界面活性。研究结果表明,可以改变两种有机硅烷的摩尔比,随意调控介孔二氧化硅颗粒的界面活性,从而能够稳定气-液界面。随着辛基有机硅烷和三胺有机硅烷摩尔比的增加,可以实现从气包水体系（Pickering泡沫）到水包气体系（小尺寸液珠,也叫“干水”）的相转变。与具有类似界面活性的无孔道二氧化硅颗粒比较,进一步证明了本文选择的介孔二氧化硅的结构对稳定气-液界面性能的重要影响。此外,可以通过调节pH值使Pickering泡沫或“干水”破裂。重要的是,疏水介孔二氧化硅稳定“碳酸钾干水”可以从模拟烟道气中自动捕获CO2,与碳酸钾水溶液相比,其具有更高的吸附速率和吸附容量。（2）以疏水性介孔二氧化硅稳定的气包水体系为基础,首先将有机胺溶液（TEPA）封装于疏水性的壳层得到有机胺液珠,再在液珠内部掺入亲水性介孔固体颗粒,通过固体-液体在微纳尺度的共组装,成功制备出了具有多级孔结构的固体-液体杂化超球。从结构上看,此固体-液体杂化超球结构有其独特性质,首先高粘度的TEPA被分隔成微小的液滴,得到高的表面/体积比。同时由于液体中存在“孔”,进一步提高了TEPA的可及性。此外,由于疏水壳层的存在,设备腐蚀得到了抑制。重要的是,由于内部固体-液体相互作用力及界面颗粒的强吸附力,使得固体-液体杂化超球具有较高的机械强度,通过建立物理模型进一步支持了这一结论。（3）重点研究这种新型固体-液体杂化超球相应的调控技术,精细地调控固体-液体杂化超球的尺寸大小和内部结构,系统考察固体-液体杂化超球的尺寸、结构和组成等物性参数对CO2吸附容量和吸附动力学的影响。而且固体-液体杂化超球为微米-毫米尺度固体材料,可以直接将其应用于固定床吸收CO2气体的装置中,既保证了有机胺高效的吸收能力,又克服传统的液相吸收技术所存在的吸收剂易损失、设备腐蚀严重、再生能耗高等问题。实验结果表明,该固体-液体杂化吸收材料可获得高达6.1 mmol g-1的CO2吸附容量,并具有较快的吸附动力学。更重要的是,即使在水分的存在下,固体-液体杂化超球可进行60次吸附-脱附循环,保持长期稳定性。相比于文献报道的浸渍胺的固体吸附剂,固体-液体杂化超球疏水壳层的存在可以有效地阻止胺的损失。该固体-液体杂化CO2吸附剂的构筑,突破了液体吸附剂和固体吸附剂的限制,为设计新型固体-液体杂化材料提供了具有普适性的新方法和关键技术。

关键词：CO₂捕集;气-液界面;液珠;固体-液体杂化超球;固定床

学科专业：物理化学

中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 CO_2 捕集研究现状

1.3 CO_2 捕集技术研究进展

1.3.1 溶剂吸收法

1.3.2 膜分离法

1.3.3 固体吸附法

1.4 固体颗粒稳定气-液界面

1.4.1 固体颗粒稳定水包气体系

1.4.2 固体颗粒稳定气包水体系

1.5 立题依据

第二章 实验部分

2.1 主要原料与试剂

2.2 主要仪器

2.3 材料表征方法

2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.2 透射电子显微镜(TEM)

2.3.3 物理吸附仪

2.3.4 X射线光电子能谱分析仪(XPS)

2.3.5 元素分析

2.3.6 固体核磁分析

2.3.7 傅里叶红外分析(FTIR)

2.3.8 热重分析(TGA)

2.3.9 接触角测试

2.3.10 光学显微镜

2.3.11 激光共聚焦显微镜

2.3.12 热重-质谱(TG-MS)联用

2.3.13 固定床评价装置

第三章 介孔二氧化硅表面性质调控及其界面吸附性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 界面活性介孔二氧化硅的制备

3.2.2 Pickering泡沫和“干水”的制备与表征

3.2.3 Pickering泡沫和“干水”的pH响应行为

3.2.4 “K_2CO_3 干水”的制备与表征

3.2.5 “K_2CO_3 干水”的CO_2捕集性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 介孔二氧化硅的制备与表征

3.3.2 界面活性介孔二氧化硅MSP-NO(x)的组成及结构分析

3.3.3 MSP-NO(x)的界面活性研究

3.3.4 pH响应行为研究

3.3.5 “K_2CO_3 干水”的CO_2吸附性能研究

3.4 小结

第四章 基于液珠制备新型固体-液体杂化超球

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 不同结构及表面性质的SiO2材料制备

4.2.2 TEPA液珠以及固体-液体杂化超球(SLHSP)的制备

4.2.3 固体-液体杂化超球(SLHSP)机械稳定性测试

4.2.4 固体-液体杂化超球(SLHSP)纳米压痕实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 疏水介孔二氧化硅MSP-O的结构及组成分析

4.3.2 TEPA液珠制备及其稳定性测试

4.3.3 固体-液体杂化超球的制备及表征

4.3.4 固体-液体杂化超球(SLHSP)的机械稳定性研究

4.3.5 固体-液体杂化超球(SLHSP)稳定性理论分析

4.4 小结

第五章 固体-液体杂化超球CO_2吸附性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 不同尺寸大小的固体-液体杂化超球(SLHSP)的制备

5.2.2 不同内部结构的固体-液体杂化超球(SLHSP)的制备

5.2.3 实验设备及吸附量计算方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 固-液杂化超球(SLHSP)结构调控及其CO_2吸附性能

5.3.2 固-液杂化超球(SLHSP)的CO_2/N_2 吸附选择性

5.3.3 固-液杂化超球(SLHSP)尺寸调控及其CO_2吸附性能

5.3.4 固-液杂化超球(SLHSP)吸附-脱附循环稳定性

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作创新

6.3 工作展望

参考文献

致谢

个人简况及联系方式