用于燃燒后二氧化碳捕集的氣體分離膜

為了應(yīng)對(duì)全球變暖這一嚴(yán)重的環(huán)境問題，應(yīng)該減少發(fā)電廠和高能耗行業(yè)(如水泥廠、鋼廠和鋼廠)的溫室氣體(尤其是CO2)排放。設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了不同的CO2捕獲技術(shù)，如燃燒后捕獲、燃燒前捕獲和富氧燃燒技術(shù)，以及從工業(yè)氣體中去除CO2。其中，燃燒后捕獲CO2被認(rèn)為是改造現(xiàn)有工廠的可行方案。目前，胺溶劑化學(xué)吸收被認(rèn)為是燃燒后CO2捕集成熟的技術(shù)，并已大規(guī)模采用。

在開發(fā)新一代和先進(jìn)的溶劑時(shí)，人們?yōu)榻档驼麄€(gè)捕集過程的能耗付出了巨大的努力。然而，相對(duì)較大的環(huán)境影響和較高的資本支出(如吸收塔)仍然為碳捕獲的**實(shí)施帶來障礙。研究人員開發(fā)了幾種基于離子液體溶劑、固體吸附劑和化學(xué)鏈循環(huán)(如金屬氧化物)的氣體分離膜技術(shù)來捕獲CO2，有望實(shí)現(xiàn)成本降低的好處。

近年來，人們對(duì)固體吸附劑的發(fā)展產(chǎn)生了興趣，例如用于CO2捕獲的金屬有機(jī)框架(MOF)，因?yàn)榕c其他吸附劑相比，它們具有更高的CO2吸附能力和更低的能耗。然而，固體吸附劑對(duì)CO2/N2的選擇性相對(duì)較低，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。氣體分離膜已用于空氣分離(Prism from Air ProductsChemicals，Inc.)、沼氣濃縮和凈化(如Evonik SEPURAN Green)和天然氣脫碳(如SeparexTM、celura和Medal);與其他技術(shù)(低溫分離、化學(xué)鏈過程和吸附)相比，這些膜被認(rèn)為是成熟和有前途的CO2捕獲方法之一。

在氣體分離膜領(lǐng)域，已經(jīng)做出了很大努力來改善不同CO2分離過程的膜性能。特別是由含氨基官能團(tuán)的聚合物制成的透射促進(jìn)膜的發(fā)展。由于CO2和官能團(tuán)之間的化學(xué)反應(yīng)，這種膜產(chǎn)生額外的貢獻(xiàn)來促進(jìn)傳輸，因此顯示出高分離性能。在考慮膜技術(shù)捕獲CO2的商業(yè)化時(shí)，有必要設(shè)計(jì)一種節(jié)能、低成本的膜系統(tǒng)。此外，當(dāng)暴露于含有SO2和NOx雜質(zhì)的煙氣時(shí)，膜材料應(yīng)具有長期穩(wěn)定性。目前，只有少數(shù)幾種膜在中試CO2捕集中得到了驗(yàn)證，如膜技術(shù)研究公司(MTR)的北極星膜、挪威科技大學(xué)開發(fā)的固定載體膜(由Air Products and Chemicals，Inc.授權(quán))和Helmholtz-Zentrum Geesthacht的多孔膜。值得注意的是，將氣體分離膜材料從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模帶到中試示范并不容易，可能需要10~15年以上。例如，基于聚乙烯胺(PVAm)的運(yùn)輸促進(jìn)膜是在2004年通過在聚砜平板載體上涂覆一層薄的選擇性層而開發(fā)的。在隨后的十年中，通過不斷優(yōu)化膜制備條件，膜的分離性能逐漸得到改善。幾個(gè)試點(diǎn)示范系統(tǒng)已經(jīng)在發(fā)電廠和水泥廠使用板框和中空纖維模塊進(jìn)行了測(cè)試。

此外，hgg等人報(bào)道，通過在高負(fù)荷下將其暴露于真實(shí)煙道氣體中的SO2，氣體分離膜的滲透側(cè)在長測(cè)試期內(nèi)具有CO2純度大于60%(體積分?jǐn)?shù))的穩(wěn)定性能。然而，這些測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，模塊設(shè)計(jì)對(duì)于有效利用整個(gè)膜區(qū)域進(jìn)**體分離非常重要。為了設(shè)計(jì)基于數(shù)值模擬的中空纖維膜組件，優(yōu)化重要的組件參數(shù)，如纖維直徑、纖維長度和堆積密度。

除了基于聚乙烯胺的運(yùn)輸促進(jìn)(FT)膜，俄亥俄州立大學(xué)(OSU)的膜研究團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了一種含胺的高選擇性FT膜，專門用于CO2/N2分離。CO2滲透率為1450個(gè)氣體滲透單位[GPU，1個(gè)GPU=106 cm3(STP)(CM2SCMhg)1，其中STP**標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力。需要注意的是，由于平均驅(qū)動(dòng)力被**低估，用COMSOL Multiphysics擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的氣體滲透率可能被高估。盡管如此，這些傅立葉變換膜已經(jīng)被證明在從真實(shí)的煙道氣體中捕獲CO2方面具有良好的性能，但是為了證明膜技術(shù)的進(jìn)步，有必要評(píng)估整個(gè)工廠級(jí)過程的成本。因此，本研究以PVAm為例，探討了傅立葉變換膜從材料到組件和中試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)，并分析了三級(jí)傅立葉變換膜系統(tǒng)的工藝可行性，以指導(dǎo)膜分離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從煙道氣體中捕集CO2。