用于燃燒后二氧化碳捕集的氣體分離膜

用于燃燒后二氧化碳捕集的氣體分離膜

為了應對全球變暖這一嚴重的環境問題，應該減少發電廠和高能耗行業(如水泥廠、鋼廠和鋼廠)的溫室氣體(尤其是CO2)排放。設計并驗證了不同的CO2捕獲技術，如燃燒后捕獲、燃燒前捕獲和富氧燃燒技術，以及從工業氣體中去除CO2。其中，燃燒后捕獲CO2被認為是改造現有工廠的可行方案。目前，胺溶劑化學吸收被認為是燃燒后CO2捕集成熟的技術，并已大規模采用。

在開發新一代和先進的溶劑時，人們為降低整個捕集過程的能耗付出了巨大的努力。然而，相對較大的環境影響和較高的資本支出(如吸收塔)仍然為碳捕獲的**實施帶來障礙。研究人員開發了幾種基于離子液體溶劑、固體吸附劑和化學鏈循環(如金屬氧化物)的氣體分離膜技術來捕獲CO2，有望實現成本降低的好處。

近年來，人們對固體吸附劑的發展產生了興趣，例如用于CO2捕獲的金屬有機框架(MOF)，因為與其他吸附劑相比，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CO2/N2的選擇性相對較低，阻礙了其大規模應用。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(低溫分離、化學鏈過程和吸附)相比，這些膜被認為是成熟和有前途的CO2捕獲方法之一。

在氣體分離膜領域，已經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的聚合物制成的透射促進膜的發展。由于CO2和官能團之間的化學反應，這種膜產生額外的貢獻來促進傳輸，因此顯示出高分離性能。在考慮膜技術捕獲CO2的商業化時，有必要設計一種節能、低成本的膜系統。此外，當暴露于含有SO2和NOx雜質的煙氣時，膜材料應具有長期穩定性。目前，只有少數幾種膜在中試CO2捕集中得到了驗證，如膜技術研究公司(MTR)的北極星膜、挪威科技大學開發的固定載體膜(由Air Products and Chemicals，Inc.授權)和Helmholtz-Zentrum Geesthacht的多孔膜。值得注意的是，將氣體分離膜材料從實驗室規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)的運輸促進膜是在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的。在隨后的十年中，通過不斷優化膜制備條件，膜的分離性能逐漸得到改善。幾個試點示范系統已經在發電廠和水泥廠使用板框和中空纖維模塊進行了測試。

此外，hgg等人報道，通過在高負荷下將其暴露于真實煙道氣體中的SO2，氣體分離膜的滲透側在長測試期內具有CO2純度大于60%(體積分數)的穩定性能。然而，這些測試系統的測試結果表明，模塊設計對于有效利用整個膜區域進**體分離非常重要。為了設計基于數值模擬的中空纖維膜組件，優化重要的組件參數，如纖維直徑、纖維長度和堆積密度。

除了基于聚乙烯胺的運輸促進(FT)膜，俄亥俄州立大學(OSU)的膜研究團隊還報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個氣體滲透單位[GPU，1個GPU=106 cm3(STP)(CM2SCMhg)1，其中STP**標準溫度和壓力。需要注意的是，由于平均驅動力被**低估，用COMSOL Multiphysics擬合實驗數據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被證明在從真實的煙道氣體中捕獲CO2方面具有良好的性能，但是為了證明膜技術的進步，有必要評估整個工廠級過程的成本。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的設計和試驗現狀及挑戰，并分析了三級傅立葉變換膜系統的工藝可行性，以指導膜分離系統的設計，從煙道氣體中捕集CO2。