实验八NH3CaSO4法固定CO2温室气体Word格式文档下载.docx

1、仪器和材料: pHS-3D酸度计（带温度传感器）、磁搅拌器、AB胶、10mL移液管、软塑料导气管、自制500 mL反应器装置等。试剂：硫酸钙（AR， 200 um）、35%氨水（AR）、高纯CO2（高压气瓶）、蒸馏水、盐酸（AR）、石磊溶液指示剂。三、 实验内容实验技术路线与内容 图1是一个工艺流程图。使用胶软管连接二氧化碳气源和移液管，插入反应器的底部。称取 g CaSO42H2O和分别移取38毫升浓NH3H2O和100毫升水加入反应器中，把二氧化碳导入反应器中（PCO2 = MPa）后，记录的反应体系的pH值和温度随时间的变化数据于表1中。Fig. 1 Routine of techniq

2、ue在这个实验中，酚酞作为指示剂。当酚酞指示剂的粉红色完全消失，表明二氧化碳和氨的反应和硫酸钙已经完成。使用2或3滴稀盐酸直接与白色固体（采样于反应器）反应，有大量的泡沫从解决方案和白色固体消失表明CaSO42H2O已经变成碳酸钙。过滤反应液体，烘干产品碳酸钙，并称量。重复实验和 MPa的二氧化碳压力条件下，分别与硫酸钙和氨反应在一个开放的系统并记录数据于表1中。Table 1 data obtained from an open system CO2 Partial pressure （MPa）CaSO4/gH2O/mL100NH3H2O （35%）/mL38Reaction time/mi

3、n 过程动力学 称量克或克CaSO4 2H2O和量取38毫升浓NH3H2O和100毫升水密闭反应中，在磁力搅拌下导入二氧化碳（PCO2 = Mpa），同步记录pH值和温度与反应时间的变化，数据分别记录于表2和表3中。Table 2 CO2reaction with CaSO42H2O and NH3H2O （Closed system）Time （s）pHTemperature （）pOHOH- / mol/L10-32010-440608010-512014016018020022024010-626028030032034036038040042044046048010-750052054

4、0560580600620Table 3 CO2reaction with NH3OH-/mol/L过程热力学 图1中图示工艺过程涉及的化学反应如下：2H2O （s） + 2NH3 = CaCO3 （s） + （NH4）2SO4 + H2O （1）CO2 + NH3 + H2O = NH4HCO3 （2）CaSO4 （s） +2NH3 （g） + CO2 （g） + H2O （l） = CaCO3 （s, calcite） +2NH4+ （aq） + SO42- （aq） （3） CaSO3 （s） + 2NH3 （g） + CO2 （g） + H2O （l） = CaCO3 （s） + 2N

5、H4 +（aq） + SO32- （aq） （4）2（NH4）2SO3 + O2 = 2（NH4）2SO4 （5）（NH4）2SO4 + Fe2O3 = Fe2（SO4）3 + NH3 （g） + H2O （6）Fe2（SO4）3 = Fe2O3 + 3SO3（g） （7）SO3 + H2O = H2SO4 （8）四、 结果与讨论 二氧化碳气体浓度对吸收速率的影响调节不同二氧化碳浓度，在相同的加入石膏量下，考察石膏完全反应完的通气时间，实验结果如图1所示。随着气体浓度提高，吸收反应平衡所需时间减少。图1 不同CO2浓度的平衡时间 加石膏对吸收速率的影响加入不同量石膏平衡时间与pH变化关系见图2

6、。如图所示，加入石膏后，溶液总体pH降低。图2 有无CaSO42H2O固定剂溶液的pH随时间的变化由图2可以看出当二氧化碳（PCO2 = Mpa时，CO2与CaSO42H2O和NH3H2O反应溶液中的pH随时间的变化逐渐变成中性，说明这个方法所固定的CO2已生成CaCO3沉淀，比较稳定；CO2与NH3H2O反应的溶液中pH在接近时达到平衡，溶液呈碱性，说明HCO3-不稳定，即所固定的CO2不够稳定。二氧化碳（PCO2 = Mpa时，加入硫酸钙的情况下固定反应在600s之后，溶液达到中性，不加入硫酸钙的情况下固定反应在300s的时候，溶液呈碱性，但已达到平衡状态，继续通入CO2，也难以被固定下来

7、。说明CaSO42H2O所固定的CO2比较稳定，是良好的CO2固定剂。 动力学方程曲线假定：二氧化碳固定的吸附量 （1）为初始浓度（mol/l），为t时间的浓度（mol/l），v为溶液的体积，m为硫酸钙的加入量（g）。拟一级动力学1表达式如下： （2） 式中，qt：t时间内的吸附量（mol/g）；qe：平衡吸附量（mol/g）；t：吸附时间（min）；k1：吸附速率常数，min-1；k1数值的大小反映了吸附速度的快慢；k1值越大则吸附速度越快。1/qt1/t呈线性,由直线斜率和截距可分别求得 k1和 qe的值。 拟二级动力学2表达式如下: （3）式中，qt：k2：吸附速率常数；t/qtt呈线性

8、，由直线斜率和截距可分别求得 k2和 qe的值。为了简化动力学方程：做出相应调整。一级动力学方程： （4）二级动力学方程： （5）图3 加入硫酸钙固定的一级动力学图4 加入硫酸钙固定的二级动力学由图3、4可知，加入硫酸钙固定的一级动力学方程为：Y = ，R12=（相关系数数值接近于1，曲线越接近于直线）；二级动力学方程为Y=，R22=。这说明了ln（c（OH-）随t的变更符合线性关系，说明硫酸钙固定二氧化碳反应为一级动力学关系。表明物理扩散为控速步骤，但是实际上应符合二级动力学方程，应该是化学控速的。本实验存在影响反应扩散的因素，如该固定反应较激烈影响到扩散，才导致物理扩散为控速步骤。图5 没

9、加硫酸钙固定的一级动力学图6 没加硫酸钙固定的二级动力学由图5、6可知，没加硫酸钙固定的一级动力学方程为：Y = ，R12=；这说明了1/OH-随t的变更符合线性关系，说明硫酸钙固定二氧化碳反应为一级动力学关系。表明化学吸附为控速步骤。 过程热力学图7 加硫酸钙的温度随时间变化图8 没加硫酸钙的温度随时间变化由图7和图8可以看出，这两个反应的温度都随反应时间的增大而增大，当反应达到平衡时，加了CaSO42H2O的体系温度更高。也说明了两个反应都是放热反应。温度降低只是平衡通入冰冷的二氧化碳气体才导致的温度降低。A ：2H2O （s） + 2NH3 = CaCO3 （s） + （NH4）2SO4

10、 + H2OfHm（CO2）= kJ/mol fHm=mol fHm（NH3）= kJ/mol fHm（CaCO3）=mol fHm（NH4）2SO4）= kJ/mol fHm（H2O）= kJ/mol rHm=fHm（CaCO3）+fHm（NH4）2SO4） + fHm（H2O） - 2*fHm（NH3） - fHm（CaSO42H2O） - fHm（CO2）=（）+（）+（）- =molB: CO2 + NH3 + H2O = NH4HCO3fHm（CO2）= kJ/mol fHm（NH3）= kJ/mol fHm（H2O）= kJ/mol fHm（NH4HCO3）= kJ/mol rHm

11、=fHm（NH4HCO3） - fHm（CO2） - fHm（NH3） - fHm（H2O）=（）=mol五、 结论参考文献1 . Rochelle: Scrubbing for CO2 Capture, Science Vol. 325 （2009）, p. 1652.2 V. Ermatchkov, Kamps, D. Speyer, G. Maurer: Solubility of Carbon Dioxide in Aqueous Solution of Piperazine in the Low Gas Loading Region, J. Chem. Eng. Data Vol.

12、51（5） （2006） , p. 1788.3 Q. Zhuang, P. Pomalis, L. Zheng, B. Clements: Ammonia-based Carbon Dioxide Capture Technology: Issues and Solutions. Energy Procedia Vol. 4 （2011）, p. 1459.4 . Kim, K. Han, . Chun: CO2 Absorption with Low Concentration Ammonia Liquor, Energy Procedia Vol. 1 （2009）, p. 757.5

13、F. Kozak, A. Petig, E. Morris, R. Rhudy, D. Thimsen: Chilled Ammonia Process for CO2 Capture. Energy Procedia Vol. 1 （2009）, p. 1419.6 . Yin, C. Zhang, . Qin, . Lin, H. An, G. Chen, B. Feng: Reactivation of Calcium-based Sorbent by Water hydration for CO2 Capture, Chem. Eng. J. Vol. 198-199 （2012）, p. 38.7 Q. Zhuang, B. Clements, Y. Li: From Ammonium Bicarbonate Fertilizer Production Process to Power Plant CO2 Capture, Int. J. Greenhous Gas Control Vol. 10 （2012）, p. 56.