[01208322]面向温室气体CO2分离膜材料的开发研究

本课题是2010年江西省科技厅下达的省科技支撑计划（项目编号2010BGA01200）。 近年来,尽管我国能源结构得到有效调整,能源多元化和清洁能源的比重明显提高,但是随着经济的快速发展,CO2的排放量逐年增加。从总量上看,目前中国CO2排放量已位居世界第二,仅次于美国。预计2030年前后CO2排放问题有可能成为制约我国经济增长最主要的约束之一。众所周知,CO2是主要的温室效应气体,对温室效应的贡献在55%左右。化石燃料燃烧产生的CO2占人类活动引起的碳排放量的80%,而天然气、油田气、电厂烟气、石化企业尾气等CO2来源固定且排放量大占总量的50%以上。从遏制地球“温室效应”的角度看,如何降低CO2排放量已成为目前国际上最具有挑战的研究课题之一,具有十分重要的学术意义和应用意义。 当前控制CO2排放的主要对策是积极发展CO2的分离捕捉封存技术。天然气、油田气、电厂烟气、石化企业尾气等一般都富含有CO2、N2、CH4等气体及少量的CO、H2等。分离脱除CO2是削减温室效应的关键。从目前的研究技术看,目前工业应用的分离工艺—乙醇胺（溶剂）吸收法,虽然具有较高的CO2吸附能力,CO2浓度可达98%以上,但是其吸收能力与CO2溶解速度、溶剂再生性能等有关,并且溶剂再生需要加热（100oC以上）,流程复杂,耗能大,操作成本高,需要研发新的工艺。而现有的吸附法（物理吸附法和化学吸附法）和复合分离方法等各有优缺点,CO2浓度可达60%以上,但仍处于实验室研究阶段,需进一步加快研发步伐。 膜分离过程是一个高效环保的分离过程,膜分离技术是一个多学科交叉的高新技术,与传统的分离技术（如蒸馏、吸收、吸附等）相比,具有以下几个特点：高效环保,过程简单能耗低,易于放大、连续化操作,易与其他分离过程相结合。大规模应用膜分离法分离CO2受三个关键的影响因素制约着：膜的渗透量、选择性和化学稳定性能。较多的研究采用有机膜进行CO2的分离,虽然有机膜具有优良的CO2分离性能,但不能在150oC以上的温度条件下使用,且在CO2酸性条件下稳定性能较差（如利用中空纤维膜在高压下分离CO2,只适用于气源干净、需用CO2浓度不高于90%的场合）。而若采用沸石分子筛膜等为代表的无机膜则可克服上述有机膜的缺点,将在从电厂烟气等混合气体中分离CO2具有重要的应用前景,具有实现工业化应用的潜力。 本课题采用自制晶种采用两步变温法等二次水热合成技术,不断优化本课题组的合成工艺,制备出高CO2选择性的T型分子筛膜材料,组建CO2分离概念样机,测试分子筛膜的渗透性能。在CO2/N2,CO2/CH4等混合气体分离体系和系列有机水混合物(如水/异丙醇（10/90wt.%）体系中进行分离性能研究。现阶段取得的主要创新性成果有： 1.自制晶种采用两步变温法和清液体系合成等二次水热合成技术,不断优化本课题组的合成工艺,制备出高CO2选择性、适合于温室气体CO2分离的T型分子筛膜材料,初步解决膜法分离CO2的分子筛膜材料的关键制备技术。 2.优化工艺所制备的分子筛膜的分离性能指标为： （1）气体分离性能：CO2/N2,CH4（50/50mol%）体系,在35oC时渗透通量均大于4.3×10-8mol/（m2.s.Pa）,渗透侧CO2浓度大于99.0%;（2）渗透汽化性能：水/异丙醇（10/90wt%）体系,75oC时通量大于4.0kg/m2.h,透过物水的浓度大于99.8%。 3.设计并组建了CO2分离概念样机,测试分子筛膜的气体渗透性能和渗透规律。 4.目前已取得的学术成果：在国际学术刊物上发表论文4篇（SCI收录）、3篇国内学术会议报告,获2项授权发明专利,初步形成具有自主创新知识产权的新技术。 本项目在执行过程中圆满完成合同规定的研究内容,达到预期目标,获得预期成果,并且所合成分子筛膜的技术指标都达到并部分超过合同技术指标,达到国际先进水平。所组建CO2分离示范概念样机,能高效地从天然气中分离出CO2,且整个分离过程节能环保,分离的CO2纯度大于99.0%,为进一步推动CO2分离器的产业化提供依据。所开发的无机分子筛膜分离技术应用前景好,能产生良好的经济效益和社会效益,并带动我省乃至全国的膜产业和相关产业发展。