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CO2捕集、利用与封存技术是大规模减少温室气体排放的可行方法。钙基碳载体循环煅烧/碳酸化技术(钙循环)是目前具有可行性的大规模捕集CO2技术之一,适用于燃煤发电过程和煤/生物质气化制氢过程。由于高温烧结造成的钙基碳载体捕集CO2活性衰减问题制约该技术发展的问题之一。本文以电石渣作为主要原料,铝类材料作为支撑体,合成制备了多类型高活性钙铝碳载体用于钙循环捕集CO2技术中,基于宏观实验、微观分析和密度泛函理论模拟方法,研究高活性钙铝碳载体循环捕集CO2规律,揭示反应机理,为燃煤电站/制氢站利用钙铝碳载体实现高效捕集CO2提供理论指导。以生物柴油副产物作为造孔剂,采用燃烧合成法将电石渣和高铝水泥制备成多孔钙铝载碳体。研究了制备条件、CO2捕集条件对钙铝碳载体CO2捕集特性的影响规律,探究苛刻煅烧条件下钙铝碳载体的循环捕集CO2特性,分析其煅烧/碳酸化反应动力学特性,揭示了生物柴油副产物的燃烧造孔机制。当高铝水泥添加量为5%时,钙铝碳载体的CO2捕集性能最高,在苛刻煅烧条件下,钙铝碳载体30次循环后CO2吸收量为0.27g/g,分别为电石渣和石灰石的1.7倍和2.6倍。高铝水泥和电石渣高温下通过固相反应生成的Ca12Al14O33具有良好抗烧结和支撑作用。因此在燃烧造孔和Ca12Al14O33支撑的共同作用下钙铝载碳体具有较高循环捕集CO2性能。提出以电石渣和高铝水泥为原料,利用葡萄糖水热碳化形成的微米碳球作为模板,一步合成具有尺寸和微观结构可控的中空微米球型钙铝碳载体新工艺。为了克服不可溶钙铝源造成的中空微米球型钙铝碳载体中CaO与支撑体不均匀的问题,采用可溶性钙铝源代替电石渣和高铝水泥合成了钙、铝均匀分布的中空微米球型碳载体,进一步提高了钙铝碳载体的循环捕集CO2性能。研究了制备条件以及反应条件对中空微米球型钙铝碳载体捕集CO2性能的影响,阐明了多类钙源和铝源固相反应对支撑体Ca12Al14O33生成的影响机制。Al2O3添加量为5%时中空微米球型钙铝碳载体取得最优的循环捕集CO2性能,在苛刻煅烧条件下10次循环后CO2捕集性能比电石渣高80.9%。中空微米球型钙铝碳载体的特殊结构降低了 CO2的扩散阻力,提高了 CO2捕集性能和反应速率。与电石渣相比,采用中空微米球型钙铝碳载体大幅度降低了捕集单位CO2煅烧炉所需能耗,节约了能源。为了降低人工制备模板的成本,提出纸纤维作为生物模板,以乙酸处理电石渣、硝酸铝为原料,通过浸渍把钙和铝均匀负载在模板上,合成具有中空微米管状结构的钙铝碳载体。研究了多种反应条件对中空微米管状钙铝碳载体循环捕集CO2特性的作用规律,分析了中空微米管状钙铝碳载体的结构演变特性,揭示了中空微米管状钙铝碳载体的CO2捕集机理。中空微米管状钙铝碳载体的高CO2捕集性能得益于其特殊微观结构提供了更多CO2反应位和Ca12Al14033的良好支撑作用。10次循环后,中空微米管状钙铝碳载体在扩散控制阶段的反应速率常数高于电石渣的3倍以上,为中空微米球型钙铝碳载体的2倍。Al203含量为7.5%的中空微米管状钙铝碳载体在苛刻煅烧条件下30次循环后的CO2吸收量为0.33g/g,分别比相同条件下中空微米球型钙铝碳载体和电石渣高16%和11 2%。采用密度泛函理论从微观原子层面揭示钙铝碳载体中Ca12All4033对CaO抗烧结性能的影响机理,系统分析了 CaO、Ca12Al14033的晶胞结构与表面性质、CaO与Ca12Al14033间的成键规律、吸附能及电子结构。从原子层面揭示了碳酸化气氛中水蒸气存在对钙铝碳载体吸附CO2的影响机理。模拟计算表明,Ca12Al14033减缓CaO的高温烧结的原因在于Ca12Al14033中的Al活性位与CaO之间存在较强相互作用,有效牵制了 CaO的移动、抑制了 CaO结构形变。CaO对CO2和H2O的吸附均为化学吸附,且CaO对CO2的吸附强于H2O。H2O使得CaO中临位O被活化,邻位O原子在Fermi能级附近的电子数增加,有利于CO2吸附,Ca12Al14033与H2O的共同作用促进了 CaO对CO2的吸附,有利于钙铝碳载体捕集CO2。