双碳背景下二氧化碳捕集与压缩特性综合实验设计

叶 竹，杜 涛，荣 军，孙文强，杨 澈

（东北大学冶金学院，沈阳 110819）

0 引言

为构建绿色低碳生活环境，确保如期实现“碳达峰、碳中和”目标，2021 年7 月12 日，教育部印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》，鼓励高校充分发挥自身学科建设优势，推进多学科技术交叉融合，充分发挥高校的科技创新示范辐射作用，构建绿色低碳技术人才培养教学体系，提升学生工程实践能力及科技创新能力，建设产教融合的发展新格局。目前，绿色低碳技术主要表现在碳捕集与封存，该技术是指将CO2从发电厂等大型工业排放源分离出来并捕捉，经压缩后输运到封存地进行地质贮藏，并实现长期与外部环境隔绝。CO2的捕集方法可分为变压变温吸附法、物理化学吸收法、膜分离法、低温分离法等，储存方式可分为地质、深海、盐水层、矿物储存等［1-3］。

实验教学作为高校培养具有独立“工程实践能力”“综合分析问题能力”与“科技创新能力”应用型人才的重要手段，是学生近距离接触实际研究情景、实际动手操作的重要实践环节，应充分发挥双碳背景下的科技创新人才培养的优势［4-6］。结合课程思政先进理念，以激发学生对碳中和科学研究热情为宗旨，拟将绿色低碳教学理念与实验教学进行有机结合，修订实验内容，开设双碳背景下二氧化碳捕集存储特性教学综合实验，以期为实现国家“碳中和”目标、高校重大科技创新孵化地建设发挥积极作用。

1 开放式吸附剂制备

吸附法具有诸多突出优点，如CO2回收率高、工艺简单、能源消耗少、吸附剂使用寿命长、环保效益良好等。吸附法通过选用具有选择吸附性的多孔介质来捕集CO2，例如活性炭、沸石、分子筛等。利用上述吸附剂在一定实验条件下对CO2进行选择性吸附，后又进行CO2脱附分离。一般把以下条件作为衡量吸附剂好坏的标准［7-12］：①使用寿命；②工作能力，变温吸附能力及变压吸附能力；③选择性，指对二氧化碳在废气中的吸附率远高于其他气体；④平衡等温线类型；⑤热效应，吸、脱附过程热效应越小越好。实验选取使用寿命作为评价吸附剂性能的指标。

为充分发挥课程创新性，激发学生科研兴趣，学生可通过查阅相关优秀文献，独立实施并合成新型吸附剂，期间，实验室提供相应实验用品作为保障。本实验以经高温热解炭化活化而成的果壳活性炭为例，来阐明吸附剂制备过程，活性炭的具体寿命取决于它的制备方法与用途。

（1）制备所需材料。①风干的果壳；②真空干燥箱，用于干燥果壳；③破碎机，用于机械破碎；④筛子，用于颗粒物筛分；⑤热解反应器，用于热解反应。

（2）实验室活性炭制备流程。①原料制备，将风干的果壳（学生自选）进行机械破碎，用14 目筛子进行筛分，选取1.165 mm大小的颗粒，于真空干燥箱内120 ℃下烘干至恒重；②高温热解，将100 g筛分后的果壳置于热解反应器，将密闭的热解反应器置于马弗炉中，以10 ℃／min的升温速率升温至热解温度1 000℃（热解温度，升温速率可进行调整，以生成不同品味的活性炭），并在热解温度下保温10 h，待热解过程结束，经酸洗、水洗、干燥，最终形成活性炭样品［13-14］。

2 二氧化碳吸附实验设计

2.1 吸附实验装置

本实验使用德国耐驰生产的STA409PC综合热分析仪作为热分析测试设备（见图1），工作电压最大为75 V，功率最大为900 W，测温范围为25～1550 ℃，加热速率最大为50 K／min（理论），实验中推荐使用20～30 K／min。该设备具有如下优点：①垂直结构，易于操作，优质气流；②密闭系统，适用于非还原性气氛；③温度范围广；④样品坩埚可适性广。

图1 STA409PC装置实物及内部结构图

2.2 实验方法与步骤

（1）预烧坩埚。对坩埚预先进行热处理到等于或高于需测量的最高温度。

（2）开启CO2气路。（CO2纯度：99.999%，体积流量：30 mL／min），开启循环水系统及设备主机系统进行设备稳定。

（3）测定空白基线文件。待设备稳定后，在设定的温度程序下，对样品坩埚与参比坩埚实施空运行分析，得到仪器背景测试曲线。

（4）装样。将约10 mg 制备吸附剂轻放入坩埚，并装入近端样品架，远端为参比坩埚，样品量一般不超过坩埚容积的2／3。

（5）测量。打开基线文件开启样品加修正模式进行吸附测试。

（6）关机。实验结束后，退出操作系统，依次关闭测量主体、气路、循环水及电源总开关。

2.3 实验分析与讨论

打开Proteus Analysis分析软件运行预分析的测试文件，选择相应的实验曲线对其进行分析，如图2所示。

图2 吸附剂循环利用性能测试结果

由图2 可知，吸附剂循环进行CO2的吸附与脱附操作，且随着时间的推移，吸附剂吸附性能总体呈现平稳态势，当循环至2 000 min 时，吸附剂仍保持良好吸附性能，吸附量变化仅为2.10%，具有较好的吸附稳定性。

2.4 实验注意事项

（1）在测量之前，将样品在高温下以流动的惰性气体预处理，以除去任何污染物；

（2）坩埚应预先进行高温热处理，以排除坩埚的质量变化及热效应对测试产生干扰。

3 二氧化碳压缩过程热力学分析实验设计

为了便于运输与封存，捕集的二氧化碳通常会经过高压进行高浓度压缩。本文采用二氧化碳p-ν -T关系仪对二氧化碳压缩过程进行热力学分析。当气体压缩系统处于平衡状态时，状态参数压力p、比容ν和温度T之间的数学关系可表示为：

某温度下的等温线数据，可以通过测定气体的比容与压力的对应关系来进行测定。在低于临界温度时，实际气体的等温线有气、液相变的直线段。只有在临界温度以上，实际气体的等温线才接近于理想气体的等温线。

（1）CO2的比容测定。由于承压玻璃管管路限制，不便直接测量内部CO2的质量及管内横截面积，实验室内常采用间接法来测定CO2的比容ν。CO2的比容与其高度呈线形作用关系，具体计算方法如下：已知CO2液体在20 ℃，10 MPa 时的比容v＝0.001 17（m3／kg），实验室测出CO2在20 ℃，10 MPa时的液柱高度Δh＝3.5 mm，因此可得下式：

所以承压玻璃管内CO2的质面比常数k（k＝m／A）值为

通过式（3）可得以质面比常数k，同装置条件下，对于任意温度、压力下的比容为：

式中：Δh＝h-h0；h为任意温度、压力下水银柱页面刻度值，m；h0为CO2气柱顶点刻度值刻度，m；m为玻璃管内CO2的质量，kg；A为玻璃管内截面积，m2。

（2）观察临界现象。①临界乳光现象。保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至约临界压力，快速摇退活塞杆进行降压，此时，玻璃管内将出现圆锥状的乳白色的闪光现象，即为临界乳光现象，该现象是由于受重力场影响CO2分子沿高度方向上分布不均进而产生光的散射而形成的。

②整体相变现象。在临界点时，饱和气线与液线合二为一，汽化潜热等于零，当压力稍有变化时，气液瞬间以突变的形式相互转化，与低于临界温度的逐渐积累过程不同。

③气、液两相模糊不清现象。处于临界点的二氧化碳p，ν，T参数相同，无法区别此时是气态或者是液态。若此时管内的CO2为接近液区的气态，当在CO2膨胀之后，突然对其进行压缩，此液面会突然消失，即CO2液体接近气区，此情景即为临界点附近饱和气、液两相模糊不清现象。

3.1 实验装置

二氧化碳p-ν-T测定仪器如图3 所示，该实验装置由活塞式压力机、恒温水浴和实验本体三部分组成。实验时可通过转动压力机手轮来调节气体的压力。气体的温度由恒温水套内的温度计读出，同时可以透过玻璃恒温水套观察气体的压缩过程。CO2的压力可通过置于活塞式压力计上的压力表读出（绝对压力＝表压+大气压）。

图3 二氧化碳p-ν-T示意图（mm）

3.2 实验方法与步骤

（1）开启日光灯；

（2）使用恒温器调定T＜TC，T＝TC和T＞TC3种温度条件，并保持恒温；

（3）自管内压力4.5 MPa 开始实验，按照1.5 MPa（可调）的压力间隔读取水银柱液面刻度值直至压力p＝9.0 MPa，实验时应缓慢地调节活塞螺杆以维持等温条件，同时观察CO2状态变化情况，并将测定的水银柱液面刻度值及观察到的CO2状态变化现象记录于表1。

3.3 实验分析与讨论

室温23 ℃，大气压0.1 MPa。

按表1 的实验测试数据及计算数据，在p-v-T图上画出实验测定的不同温度下的等温曲线，见图4。

图4 二氧化碳p-ν-T关系

表1 等温线实验数据记录

本实验测量设定温度分别为39.0 ℃（高于临界温度），31.6 ℃（等于临界温度），25.2 ℃（低于临界温度）。当温度高于临界温度时，CO2等温线为一条平滑曲线；当温度等于临界温度时，等温线在临界压力附近（7.3～7.5 MPa）有一水平拐点，出现气液模糊不清现象；当温度小于临界温度时，等温线大致分为三段，中间一水平段（7.0～7.5 MPa）为气液共存区。

3.4 实验注意事项

加压严禁超过9.5 MPa。

4 结语

在“碳中和、碳达峰”的时代背景下，结合实验室实验资源及课程思政理念，开设全开放式二氧化碳捕集与压缩特性教学综合实验，以学生独立制备吸附剂为创新点，较好地激发学生对于绿色低碳技术研究的科研情怀，引导学生独立思考并解决工程实际问题，实现实验教学培养工程创新型人才的目标，充分发挥高等院校立德树人的根本宗旨，以期为我国“绿色低碳”技术创新等提供人才保障。