实验八NH3CaSO4法固定CO2温室气体

实验八NH3-CaSO4法固定CO2温室气体

班级：12应化A班姓名：叶灿健学号：在地球环境的许多问题中，最引人注目的是全球变暖的问题，也就是温室效应。二氧化碳气体是温室效应的主要来源之一。气候变化已经从科学问题变成当今国际的政治和经济问题。如今，如何节约资源、节约能源和减少排放的温室气体已成为时代的主题。随着人们更多的注意资源的短缺和地球变暖，各种各样的化石燃料，如煤炭、石油和天然气燃烧和使用后，将二氧化碳作为废气排放。二氧化碳作为一个潜在的碳资源，应用领域已得到了广泛的发展，如炼钢吹气、饮料添加剂、采矿添加剂和化学肥料。尽管仍然应该有一些工作要进一步发展，以化学或物理吸附剂方式捕获燃烧后二氧化碳的技术是最可能能应用于化石燃料的电力行业。例如使用胺捕获二氧化碳技术[1, 2]，氨捕获二氧化碳技术[3, 4, 5]，钙循环技术[6]等。氨或胺捕获二氧化碳技术和钙循环技术具有某些优势和缺陷，必须通过进一步研究发展克服比如碳酸氢铵(NH4HCO3)固体形成高氨进入气相，减缓二氧化碳吸收率[7]。NH3-CaSO4法具有在环境温度高固化率，无氨渗漏和从硫酸钙中回收硫资源的特点。可以应用燃煤火力发电厂的二氧化碳减排，也可以用于改造传统的硫酸铵和硫酸生产技术工艺。

一、实验原理

CO2 (g) + CaSO4·2H2O (s) + 2NH3 = CaCO3 (s) + (NH4)2SO4 + H2O

二、实验试剂、仪器和材料

仪器和材料: pHS-3D酸度计（带温度传感器）、磁搅拌器、AB胶、10mL移液管、软塑料导气管、自制500 mL反应器装置等。

试剂：硫酸钙（AR，ø 200 u m）、35%氨水（AR）、高纯CO2（高压气瓶）、蒸馏水、盐酸（AR）、石磊溶液指示剂。

三、实验内容

实验技术路线与内容

图1是一个工艺流程图。使用胶软管连接二氧化碳气源和移液管，插入反应器的

底部。称取 g CaSO

4∙2H

2

O和分别移取38毫升浓NH

3

∙H

2

O和100毫升水加入反应器中，

把二氧化碳导入反应器中(P

CO2

= MPa)后，记录的反应体系的pH值和温度随时间的变化数据于表1中。

Fig. 1 Routine of technique

在这个实验中，酚酞作为指示剂。当酚酞指示剂的粉红色完全消失，表明二氧化碳和氨的反应和硫酸钙已经完成。使用2或3滴稀盐酸直接与白色固体（采样于反应器）反应，有大量的泡沫从解决方案和白色固体消失表明CaSO 4∙2H 2O 已经变成碳酸钙。过滤反应液体，烘干产品碳酸钙，并称量。重复实验和 MPa 的二氧化碳压力条件下，分别与硫酸钙和氨反应在一个开放的系统并记录数据于表1中。

Table 1 data obtained from an open system

CO 2 Partial pressure (MPa)

CaSO 4/g

H 2O/mL

100 NH 3·H 2O (35%)/mL 38 Reaction time/min

过程动力学

称量克或克CaSO 4 2·H 2O 和量取38毫升浓NH 3·H 2O 和100毫升水密闭反应中，在磁力搅拌下导入二氧化碳(P CO2 = Mpa)，同步记录pH 值和温度与反应时间的变化，数据分别记录于表2和表3中。

Table 2 CO 2reaction with CaSO 4·2H 2O and NH 3·H 2O (Closed system)

Time (s) pH Temperature (℃)

pOH [OH -] / mol/L 0 ×10-3 20 ×10-4 40 ×10-4 60

×10-4

③ Air ② CO 2 ①NH 3∙H 2O

(NH 4)2SO 4, CaCO 3 and other less inorganic species.

CaSO 4·2H 2O powder

CaCO 3 and other less insoluble inorganic species.

(NH 4)2SO 4solution

① Evaporation of liquid ② Drying

(NH 4)2SO 4 powder

Sulfuric acid

NH 3

gas

Heat

CO 2 gas

Filtration

100 ×10-5 120 ×10-5 140 ×10-5 160 ×10-5 180 ×10-5 200 ×10-5 220 ×10-5 240 ×10-6 260 ×10-6 280 ×10-6 300 ×10-6 320 ×10-6 340 ×10-6 360 ×10-6 380 ×10-6 400 ×10-6 420 ×10-6 440 ×10-6 460 ×10-6 480 ×10-7 500 ×10-7 520 ×10-7 540 ×10-7 560 ×10-7 580 ×10-7 600 ×10-7 620 ×10-7

Table 3 CO2reaction with NH3·H2O (Closed system)

Time (s) pH Temperature (℃) pOH [OH-]/mol/L

0 ×10-3

20 ×10-4

40 ×10-5

60 ×10-5

80 ×10-5 100 ×10-5

140 ×10-5

160 ×10-5

180 ×10-5

200 ×10-6

220 ×10-6

240 ×10-6

260 ×10-6

280 ×10-6

300 ×10-6

320 ×10-6

340 ×10-6

360 ×10-6

380 ×10-6

400 ×10-6

420 ×10-6

440 ×10-6

460 ×10-6

480 ×10-6

500 ×10-6

520 ×10-6

540 ×10-6

560 ×10-6

580 ×10-6

600 ×10-6

620 ×10-6

过程热力学

图1中图示工艺过程涉及的化学反应如下：

CO2 (g) + CaSO4·2H2O (s) + 2NH3 = CaCO3 (s) + (NH4)2SO4 + H2O (1) CO2 + NH3 + H2O = NH4HCO3(2) CaSO4 (s) +2NH3 (g) + CO2 (g) + H2O(l) = CaCO3 (s, calcite) +2NH4+ (aq) + SO42- (aq) (3) CaSO3 (s) + 2NH3 (g) + CO2 (g) + H2O(l) = CaCO3 (s) + 2NH4 +(aq) + SO32- (aq) (4) 2(NH4)2SO3 + O2 = 2(NH4)2SO4 (5) (NH4)2SO4 + Fe2O3 = Fe2(SO4)3 + NH3 (g)+ H2O (6)