雙碳背景下二氧化碳捕集與壓縮特性綜合實驗設計

葉 竹，杜 濤，榮 軍，孫文強，楊 澈

（東北大學冶金學院，沈陽 110819）

0 引言

為構建綠色低碳生活環境，確保如期實現“碳達峰、碳中和”目標，2021 年7 月12 日，教育部印發《高等學校碳中和科技創新行動計劃》，鼓勵高校充分發揮自身學科建設優勢，推進多學科技術交叉融合，充分發揮高校的科技創新示范輻射作用，構建綠色低碳技術人才培養教學體系，提升學生工程實踐能力及科技創新能力，建設產教融合的發展新格局。目前，綠色低碳技術主要表現在碳捕集與封存，該技術是指將CO2從發電廠等大型工業排放源分離出來并捕捉，經壓縮后輸運到封存地進行地質貯藏，并實現長期與外部環境隔絕。CO2的捕集方法可分為變壓變溫吸附法、物理化學吸收法、膜分離法、低溫分離法等，儲存方式可分為地質、深海、鹽水層、礦物儲存等［1-3］。

實驗教學作為高校培養具有獨立“工程實踐能力”“綜合分析問題能力”與“科技創新能力”應用型人才的重要手段，是學生近距離接觸實際研究情景、實際動手操作的重要實踐環節，應充分發揮雙碳背景下的科技創新人才培養的優勢［4-6］。結合課程思政先進理念，以激發學生對碳中和科學研究熱情為宗旨，擬將綠色低碳教學理念與實驗教學進行有機結合，修訂實驗內容，開設雙碳背景下二氧化碳捕集存儲特性教學綜合實驗，以期為實現國家“碳中和”目標、高校重大科技創新孵化地建設發揮積極作用。

1 開放式吸附劑制備

吸附法具有諸多突出優點，如CO2回收率高、工藝簡單、能源消耗少、吸附劑使用壽命長、環保效益良好等。吸附法通過選用具有選擇吸附性的多孔介質來捕集CO2，例如活性炭、沸石、分子篩等。利用上述吸附劑在一定實驗條件下對CO2進行選擇性吸附，后又進行CO2脫附分離。一般把以下條件作為衡量吸附劑好壞的標準［7-12］：①使用壽命；②工作能力，變溫吸附能力及變壓吸附能力；③選擇性，指對二氧化碳在廢氣中的吸附率遠高于其他氣體；④平衡等溫線類型；⑤熱效應，吸、脫附過程熱效應越小越好。實驗選取使用壽命作為評價吸附劑性能的指標。

為充分發揮課程創新性，激發學生科研興趣，學生可通過查閱相關優秀文獻，獨立實施并合成新型吸附劑，期間，實驗室提供相應實驗用品作為保障。本實驗以經高溫熱解炭化活化而成的果殼活性炭為例，來闡明吸附劑制備過程，活性炭的具體壽命取決于它的制備方法與用途。

（1）制備所需材料。①風干的果殼；②真空干燥箱，用于干燥果殼；③破碎機，用于機械破碎；④篩子，用于顆粒物篩分；⑤熱解反應器，用于熱解反應。

（2）實驗室活性炭制備流程。①原料制備，將風干的果殼（學生自選）進行機械破碎，用14 目篩子進行篩分，選取1.165 mm大小的顆粒，于真空干燥箱內120 ℃下烘干至恒重；②高溫熱解，將100 g篩分后的果殼置于熱解反應器，將密閉的熱解反應器置于馬弗爐中，以10 ℃／min的升溫速率升溫至熱解溫度1 000℃（熱解溫度，升溫速率可進行調整，以生成不同品味的活性炭），并在熱解溫度下保溫10 h，待熱解過程結束，經酸洗、水洗、干燥，最終形成活性炭樣品［13-14］。

2 二氧化碳吸附實驗設計

2.1 吸附實驗裝置

本實驗使用德國耐馳生產的STA409PC綜合熱分析儀作為熱分析測試設備（見圖1），工作電壓最大為75 V，功率最大為900 W，測溫范圍為25～1550 ℃，加熱速率最大為50 K／min（理論），實驗中推薦使用20～30 K／min。該設備具有如下優點：①垂直結構，易于操作，優質氣流；②密閉系統，適用于非還原性氣氛；③溫度范圍廣；④樣品坩堝可適性廣。

圖1 STA409PC裝置實物及內部結構圖

2.2 實驗方法與步驟

（1）預燒坩堝。對坩堝預先進行熱處理到等于或高于需測量的最高溫度。

（2）開啟CO2氣路。（CO2純度：99.999%，體積流量：30 mL／min），開啟循環水系統及設備主機系統進行設備穩定。

（3）測定空白基線文件。待設備穩定后，在設定的溫度程序下，對樣品坩堝與參比坩堝實施空運行分析，得到儀器背景測試曲線。

（4）裝樣。將約10 mg 制備吸附劑輕放入坩堝，并裝入近端樣品架，遠端為參比坩堝，樣品量一般不超過坩堝容積的2／3。

（5）測量。打開基線文件開啟樣品加修正模式進行吸附測試。

（6）關機。實驗結束后，退出操作系統，依次關閉測量主體、氣路、循環水及電源總開關。

2.3 實驗分析與討論

打開Proteus Analysis分析軟件運行預分析的測試文件，選擇相應的實驗曲線對其進行分析，如圖2所示。

圖2 吸附劑循環利用性能測試結果

由圖2 可知，吸附劑循環進行CO2的吸附與脫附操作，且隨著時間的推移，吸附劑吸附性能總體呈現平穩態勢，當循環至2 000 min 時，吸附劑仍保持良好吸附性能，吸附量變化僅為2.10%，具有較好的吸附穩定性。

2.4 實驗注意事項

（1）在測量之前，將樣品在高溫下以流動的惰性氣體預處理，以除去任何污染物；

（2）坩堝應預先進行高溫熱處理，以排除坩堝的質量變化及熱效應對測試產生干擾。

3 二氧化碳壓縮過程熱力學分析實驗設計

為了便于運輸與封存，捕集的二氧化碳通常會經過高壓進行高濃度壓縮。本文采用二氧化碳p-ν -T關系儀對二氧化碳壓縮過程進行熱力學分析。當氣體壓縮系統處于平衡狀態時，狀態參數壓力p、比容ν和溫度T之間的數學關系可表示為：

某溫度下的等溫線數據，可以通過測定氣體的比容與壓力的對應關系來進行測定。在低于臨界溫度時，實際氣體的等溫線有氣、液相變的直線段。只有在臨界溫度以上，實際氣體的等溫線才接近于理想氣體的等溫線。

（1）CO2的比容測定。由于承壓玻璃管管路限制，不便直接測量內部CO2的質量及管內橫截面積，實驗室內常采用間接法來測定CO2的比容ν。CO2的比容與其高度呈線形作用關系，具體計算方法如下：已知CO2液體在20 ℃，10 MPa 時的比容v＝0.001 17（m3／kg），實驗室測出CO2在20 ℃，10 MPa時的液柱高度Δh＝3.5 mm，因此可得下式：

所以承壓玻璃管內CO2的質面比常數k（k＝m／A）值為

通過式（3）可得以質面比常數k，同裝置條件下，對于任意溫度、壓力下的比容為：

式中：Δh＝h-h0；h為任意溫度、壓力下水銀柱頁面刻度值，m；h0為CO2氣柱頂點刻度值刻度，m；m為玻璃管內CO2的質量，kg；A為玻璃管內截面積，m2。

（2）觀察臨界現象。①臨界乳光現象。保持臨界溫度不變，搖進活塞桿使壓力升至約臨界壓力，快速搖退活塞桿進行降壓，此時，玻璃管內將出現圓錐狀的乳白色的閃光現象，即為臨界乳光現象，該現象是由于受重力場影響CO2分子沿高度方向上分布不均進而產生光的散射而形成的。

②整體相變現象。在臨界點時，飽和氣線與液線合二為一，汽化潛熱等于零，當壓力稍有變化時，氣液瞬間以突變的形式相互轉化，與低于臨界溫度的逐漸積累過程不同。

③氣、液兩相模糊不清現象。處于臨界點的二氧化碳p，ν，T參數相同，無法區別此時是氣態或者是液態。若此時管內的CO2為接近液區的氣態，當在CO2膨脹之后，突然對其進行壓縮，此液面會突然消失，即CO2液體接近氣區，此情景即為臨界點附近飽和氣、液兩相模糊不清現象。

3.1 實驗裝置

二氧化碳p-ν-T測定儀器如圖3 所示，該實驗裝置由活塞式壓力機、恒溫水浴和實驗本體三部分組成。實驗時可通過轉動壓力機手輪來調節氣體的壓力。氣體的溫度由恒溫水套內的溫度計讀出，同時可以透過玻璃恒溫水套觀察氣體的壓縮過程。CO2的壓力可通過置于活塞式壓力計上的壓力表讀出（絕對壓力＝表壓+大氣壓）。

圖3 二氧化碳p-ν-T示意圖（mm）

3.2 實驗方法與步驟

（1）開啟日光燈；

（2）使用恒溫器調定T＜TC，T＝TC和T＞TC3種溫度條件，并保持恒溫；

（3）自管內壓力4.5 MPa 開始實驗，按照1.5 MPa（可調）的壓力間隔讀取水銀柱液面刻度值直至壓力p＝9.0 MPa，實驗時應緩慢地調節活塞螺桿以維持等溫條件，同時觀察CO2狀態變化情況，并將測定的水銀柱液面刻度值及觀察到的CO2狀態變化現象記錄于表1。

3.3 實驗分析與討論

室溫23 ℃，大氣壓0.1 MPa。

按表1 的實驗測試數據及計算數據，在p-v-T圖上畫出實驗測定的不同溫度下的等溫曲線，見圖4。

圖4 二氧化碳p-ν-T關系

表1 等溫線實驗數據記錄

本實驗測量設定溫度分別為39.0 ℃（高于臨界溫度），31.6 ℃（等于臨界溫度），25.2 ℃（低于臨界溫度）。當溫度高于臨界溫度時，CO2等溫線為一條平滑曲線；當溫度等于臨界溫度時，等溫線在臨界壓力附近（7.3～7.5 MPa）有一水平拐點，出現氣液模糊不清現象；當溫度小于臨界溫度時，等溫線大致分為三段，中間一水平段（7.0～7.5 MPa）為氣液共存區。

3.4 實驗注意事項

加壓嚴禁超過9.5 MPa。

4 結語

在“碳中和、碳達峰”的時代背景下，結合實驗室實驗資源及課程思政理念，開設全開放式二氧化碳捕集與壓縮特性教學綜合實驗，以學生獨立制備吸附劑為創新點，較好地激發學生對于綠色低碳技術研究的科研情懷，引導學生獨立思考并解決工程實際問題，實現實驗教學培養工程創新型人才的目標，充分發揮高等院校立德樹人的根本宗旨，以期為我國“綠色低碳”技術創新等提供人才保障。