面向燃煤湿法脱硫净烟气环境的膜法分离CO2基础研究

燃煤湿法脱硫净烟气中CO2的分离捕集是现役燃煤电厂减排的主要内容，其中膜法是目前较常用的分离方法之一。由于烟气中细颗粒物及气态污染物难以完全脱除，同时经湿法脱硫后水汽接近饱和状态；因此，如何掌握细颗粒物及共存气态组分与膜及膜材料间的相互作用规律，以及膜失效的机制及其抑制方法，是迫切需要解决的关键科学问题。本项目以细颗粒物及共存气态组分影响-膜及膜材料微结构演变-CO2宏观分离性能劣化为主线，对膜法分离CO2过程中细颗粒物在膜表面及微孔中的吸附沉积、气态组分的渗透扩散行为加以研究，揭示因细颗粒物吸附沉积、气态组分渗透扩散而改变的膜微结构特征与其选择性、渗透性和稳定性等宏观性能的内在联系，寻求膜失效的机制及其抑制方法。通过本项目研究，可为突破膜法分离CO2技术发展的瓶颈，实现膜的稳定高效运行，以及CO2分离/吸收膜的设计与改性奠定理论基础，同时对细颗粒物、气态污染物的控制也具有重要参考价值。

膜分离（吸收）技术是有效捕集燃煤电站锅炉尾部烟气中CO2的方法之一。由于烟气中细颗粒物及气态污染物难以完全脱除，同时经湿法脱硫后水汽接近饱和状态；因此，了解掌握细颗粒物及共存气态组分与膜及膜材料间的相互作用规律，以及膜失效的机制及其抑制方法，是迫切需要解决的关键科学问题。本项目针对膜分离与膜吸收两种技术，自主搭建模拟试验台，分别选取聚砜（PSF）板式分离膜、PDMS/PEI板式分离膜、聚酰亚胺（PI）中空纤维分离膜、聚四氟乙烯（PVDF）板式吸收膜、聚偏氟乙烯（PTFE）板式吸收膜、聚丙烯（PP）板式吸收膜、PP中空纤维吸收膜等膜材料探究了燃煤湿法脱硫环境下的膜法捕集CO2性能，针对脱硫烟气中共存气态组分（SO2，SO3，O2，NOx，水汽）对膜法捕集CO2 的影响，特别是膜法分离CO2过程中细颗粒物在膜表面及微孔中的吸附沉积对膜材料的微结构演变及其对捕集性能的影响进行了系统深入研究。结果表明，湿法脱硫净烟气中O2、NOx 对膜分离及膜吸收性能影响很小，而SO2、SO3、水汽和细颗粒物对两种膜捕集性能均有不同程度影响，其中，由于竞争吸附和吸收的作用，SO2会降低膜分离及膜吸收的性能，但由于SO2含量较少，此影响并不明显；水汽的影响表现为成簇迁移、毛细管凝聚和塑化溶胀行为的共同作用，在较高水汽环境下，水汽会降低膜法捕集CO2的性能，但其影响可采用N2吹扫方式消除；而SO3及细颗粒物会对膜性能和其结构造成不可逆的损坏。此外，实际湿法脱硫净烟气环境下，由于水汽、SO2及多种细颗粒物的共存，在运行10天后使得分离膜的CO2/N2分离因子与CO2渗透速率分别下降了89.2%和43.6% ，使吸收膜的CO2脱除率下降了33.7%。在此基础上，采用原子力显微镜测试了细颗粒物与CO2吸收膜间的相互作用力，探讨了细颗粒物-膜间的相互作用力形式，分析了膜表面特性、颗粒物性质、烟气湿度等对作用力的影响；结果表明：在湿法脱硫净烟气高湿环境下，会显著增强细颗粒物与CO2吸收膜间的相互作用，其作用力与细颗粒类型存在较大关系，湿法烟气脱硫过程形成的硫酸铵、石膏等细颗粒与膜间作用力高于相应的燃煤飞灰。通过本项目研究，为突破膜法分离CO2技术发展的瓶颈，实现膜的稳定高效运行，以及CO2分离/吸收膜的设计与改性奠定理论基础。