製備較高比表面積之矽酸鋰於二氧化碳捕捉之應用

Preparation of Li4SiO4 of higher BET surface area for applications in CO2 capture

徐米君(Mi-Chung Hsu)

指導教授 ： 呂世源

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2009年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2009.00261

摘要

近年來，由於世界經濟大幅成長與進步，消耗大量的化石能源，以提供工業生產或商業活動所需的動力來源，使得二氧化碳排放量大幅增加，因而造成全球暖化效應。為了減緩溫室效應的惡化，最主要的課題即是減少二氧化碳的排放量，並將大氣中二氧化碳的濃度降至比1990年排放量少5.2 %的水準。目前，最有效降低二氧化碳濃度的方法為二氧化碳捕捉及封存技術 (CO2 Capture and Storage，CCS)，利用捕捉劑將二氧化碳與其他氣體分離，得到較高純度的二氧化碳，以利後續的應用與儲存。
一般常見的高溫型二氧化碳捕捉材為鋯酸鋰與矽酸鋰，其中又以矽酸鋰具有較高的理論吸收值，36.7 wt%。因此，本研究針對高溫型二氧化碳捕捉材，矽酸鋰，進行製備與探討。試著改變製備方式，以製備出較大BET表面積、較小顆粒之矽酸鋰。
首先，利用溶膠-凝膠法製備出具高BET表面積的偏矽酸鋰，Li2SiO3，利用此方法可得BET表面積為30.5 m2/g的偏矽酸鋰，但此組成並非能與二氧化碳反應之結構，乃於鍛燒過程中加入碳酸鋰以提高其Li/Si比，最後成功地得到正確的組成結構，Li4SiO4，BET表面積可達13.9 m2/g，二氧化碳吸收效率為26.7 wt%。由於還有部分Li2SiO3未完全轉換成Li4SiO4，因此得到之效率值較差。
另外，改變傳統固態反應方式，將市售的二氧化矽粉末以二氧化矽氣凝膠取代，藉由氣凝膠提供多孔隙的結構，期望產物也具有此特性。雖然所得產物其BET表面積並無改善，但在形貌上有些微差異，其是由許多奈米級的小粒子聚集形成，與由二氧化矽粉末所得固體顆粒緻密的結構不相同。此差異顯示在二氧化碳吸收速率上，雖然兩者的效率值皆為33 wt%左右，但反應速率明顯提升，有效地降低反應所需的活化能，由275減少至103 kJ/mol。同時，也試著在低壓環境下進行固態反應，希望在低壓下能降低反應所需的溫度，以維持多孔隙的結構。所得產物BET表面積為19 m2/g，在703 ℃下效率可達29 wt%，且反應速率也大幅提升，所需之活化能更減少至40.5 kJ/mol，為不同製備方式所得產物之最低活化能值。
同時，也仿照文獻利用共沉澱方式製備出矽酸鋰，其產物BET表面積約為5.4 m2/g，與一般利用固態反應所得結果相似，二氧化碳吸收效率在730 ℃時可達最大值，約為35.2 wt%。由於其結構非常的純，因此效率值非常接近理論吸收量，經過計算後其反應活化能約為95 kJ/mol，此結果與使用二氧化矽氣凝膠於常壓下所得之結果相似，而兩者的BET表面積值也相去不多。
最後，利用懸浮浸漬方式製備矽酸鋰，希望藉由液-固間較大的接觸面積，以取代傳統固相反應中，使用兩種固體反應的缺點。經過一次浸漬後所得之產物，以 Li2SiO3與Li2Si2O5為主，雖然藉由增加浸漬次數，仍無法得到正確的組成，而浸漬過一次後得到的產物具有不錯的BET表面積，46 m2/g。接著，將含浸過一次後的產物，與三倍莫耳數的碳酸鋰於800 ℃下反應六小時後得到的產物，具有最佳的效果，BET表面積值可達23 m2/g。二氧化碳吸收效率在702 ℃時可達33.4 wt%，經過計算後反應活化能約為90.3 kJ/mol，略為少於利用共沉澱法所得的產物。
本研究製備出較小顆粒且具有較大BET表面積的矽酸鋰，有效降低二氧化碳化學吸收反應所需之活化能，並提高了化學吸收反應速率，減少反應所需時間，對於未來的應用能發揮最大效用。

關鍵字

矽酸鋰

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無資料

並列關鍵字

Li4SiO4

參考文獻

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