垃圾填埋气中典型组分的吸附特性研究

发布时间：2018-11-11 18:04

【摘要】：垃圾填埋气中主要成分是甲烷(50%左右)、二氧化碳(40%)、N2和O2,其中CH4是其能量来源,而C02、N2和O2存在降低了填埋气的品质。因此,在填埋气净化提纯过程中必须去除CO2、N2和O2。吸附法由于工艺简单和成本低廉等特点被广泛应用于气体分离领域,而它的关键环节是找到具有高性能的吸附剂。目前填埋气的净化提纯研究主要在于CO2/CH4和CO2/n2的吸附分离,而对CO2/O2和CH4/O2的吸附分离研究较少,而且填埋气中其他微量杂质气体如VOCs对吸附剂吸附分离效果的影响目前还未被研究。本文研究比较了几种吸附剂对填埋气中CO2、CH4、N2和O2的吸附分离性能的优缺点,旨在找到满足不同分离要求的吸附剂,为垃圾填埋气净化工艺提供一定的技术参考。本文研究了常用沸石分子筛、碳基吸附剂和一些其他类型分子筛对垃圾填埋气主要组分CO2、CH4、N2和O2的吸附量、选择系数和吸附动力学三个方面的内容。同时,本文探讨了垃圾填埋气中五种典型VOCs和水蒸气对脱碳吸附剂的影响。研究结果表明:(1)文中所研究的吸附剂对CO2、CH4、N2和O2的吸附等温线均呈现I型吸附等温线。在压力为100kPa,温度为303K时,13X、5A和USY-1表现出较高的CO2吸附容量(分别为2.07、1.66和0.94mmol/g)和较低的CH4、N2和O2吸附容量;两种活性炭对CO2和CH4都有较大的吸附容量,其中AC-2对CH4的吸附量为0.81mmol/g,明显高于其他吸附剂;TS-1对CO2的吸附量较大,且与活性炭及5A相近;ETS-10对CO2和CH4的吸附量相近,对N2和O2的吸附量很小。(2)文中讨论了在不同吸附剂上,CO2/N2、CO2/CH4、CH4/N2、CO2/O2和CH4/O2五种混合组分的理论分离系数,以及不同吸附剂对CO2、CH4、N2和O2的选择分离性,并选择出适合不同吸附组分分离性能的吸附剂。当压力为lOOkPa,温度为303K时,对于CO2/N2混合体系,13X、5A和USY-1的理论分离系数分别为45.95、14.23和18.53,均表现出很好的分离性能,其中USY-1的理论分离系数随压力变化较小,这有利于其在不同压力条件下的应用;对于CO2/CH4混合体系,13X和USY-1的理论分离系数分别为7.2和6.9,表现出较好的分离性能;对于CH4/N2混合体系,ETS-10、13X和AC-2均表现出较好的分离性能;对于CO2/O2混合体系,13X和5A的理论分离系数较高,为33.6和51.4,表现出非常好的分离性能;对于CH4/O2混合体系,5A和ETS-10表现出较好的分离性能。综上,13X、5A和USY-1具有较高的CO2吸附量和选择性,可以作为垃圾填埋气脱碳吸附剂,而ETS-10在CH4/N2及CH4/O2的分离中具有一定应用前景。(3)13X和AC对垃圾填埋气中五种典型VOCs组分均具有较高的吸附容量,但是在真空操作下的VOCs脱附量很小,这会使VOCs在脱碳循环中累积在吸附剂中。吸附VOCs达到饱和后的吸附剂对CO2的吸附能力均有所下降,5A分子筛由于孔径比典型VOCs分子小,对VOCs吸附量很小,因此对CO2的吸附容量下降幅度较小,而13X分子筛和AC则下降显著。吸附剂对CO2吸附量的下降幅度,与其对VOCs吸附量之间呈正相关。垃圾填埋气中的VOCs会对13X和AC吸附CO2的能力产生较大的影响,而对5A影响较小。(4)13X和5A对水蒸气吸附量较大,而AC、碳基吸附剂和碳分子筛对水蒸气吸附量较小;13X、5A和USY吸附水蒸气后,其对CO2的吸附能力显著下降,分别下降了 99%、90%和83%;USY由于具有较高的硅铝比,与13X相比,水蒸气对其影响较弱;活性炭吸附水蒸气后对CO2的吸附量有所下降,但下降幅度较小。垃圾填埋气中的水蒸气会使13X、5A和USY几乎丧失对CO2吸附能力,而对活性炭的影响较小。综上,在垃圾填埋气净化过程中,13X、5A和USY由于具有较好的CO2吸附容量及CO2/N2、CO2/CH4和CO2/O2分离性,可以作为垃圾填埋气脱碳吸附剂。当选择13X作为脱碳吸附剂时,在脱碳之前需要进行严格的脱水和脱VOCs。5A对VOCs具有较好的抗性,但对水蒸气比较敏感,需要进行严格的脱水。USY对水蒸气比较敏感,在脱碳之前需要进行严格的脱水。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X701

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