Mg(OH) 2 -ACROS 和 Mg(OH) 2 -lab2 二氧化碳吸收的定量探討

三、結果與討論

3.1 蛇紋石和氫氧化鎂對二氧化碳進行固定化之影響 .1 物理特性分析

3.1.7 Mg(OH) 2 -ACROS 和 Mg(OH) 2 -lab2 二氧化碳吸收的定量探討

本研究採用TPD 技術來監測氫氧化鎂吸收二氧化碳，再利用程溫脫附來觀察二氧化碳的脫附量。吸收 CO2是決定固定劑的重要因素，在前面 TGA 實驗中是較蛇紋石和氧化鎂強的吸收劑，此時可以利用固定化反應加以證明之。圖 3-14 為 Mg(OH)2在實驗條件 200 ml/min (20% CO2/N2)之下，變化溫度分別為 275°C、300°C、325°C、350°C、375°C 和 400°C 之反應結果。由圖中可以觀察得知，溫度在325°C CO2的脫附情形的結果是最佳的，這也表示溫度在325°C 時，進行吸收二氧化碳是最佳的溫度，而 CO2釋放累積量亦整理於表3-8 和 3-9 中。

由兩表中可發現氫氧化鎂CO2釋放情形有一趨勢：325°C >350°C > 300°C > 275°C > 375°C >

400°C，將兩表比較之後，發現由流程二製備所得之氫氧化鎂較商業化吸收效率好很多。

四、結論

本研究發現蛇紋石無法直接有效地吸收二氧化碳，故我們利用前處理得到氫氧化鎂來當固定劑，並且轉化成氫氧化鎂的效率高，再與商業化氫氧化鎂比較之。利用氫氧化鎂為固定劑進行二氧化碳固定化反應。首先我們利用TGA 在恆溫和非恆溫下通入二氧化碳進行吸收，

因為氫氧化鎂在升溫過程中會同時進行脫 OH 基和碳酸化反應，由非恆溫實驗中反映出 Mg(OH)2-ACROS 在 350°C 前損失重量較 Mg(OH)2-lab2 少，是因為表面有碳酸鹽所導致的。

另外，在TPD 實驗結果顯示有 CO2化學脫附量，故研究結果證實：氫氧化鎂可以有效地吸收二氧化碳， 300-350°C 為反應的最適溫度，其效率為 Mg(OH)2-lab2 > Mg(OH)2-ACROS。

我們從動力學研究中，利用文獻的模式可描述氫氧化鎂在300°C－350°C 反應之行為， n 值差異並不大皆以平均約 2.6，表示在這個溫度範圍內 CO2吸收速率和脫 OH 基速率比為固定，因此在這個溫度範圍內速率常數比也為固定，故氫氧化鎂進行反應時，溫度落在 300°C

－350°C 之間用此模式可以詮釋之。由動力學與固定化反應器觀察，發現在 325°C 為最佳反應溫度。

五、計畫成果自評

本研究利用前處理將蛇紋石轉化成氫氧化鎂來當固定劑，轉化成氫氧化鎂的效率高，將此固定劑進行二氧化碳固定化反應。

透過 TGA 在恆溫和非恆溫下通入二氧化碳進行吸收，由實驗中反映出 Mg(OH)2必須小於400°C 進行固定化二氧化碳之研究。而在非恆溫狀態下發現，若大於 400°C 幾乎以脫水為主很難吸收二氧化碳。

在TPD 實驗結果顯示有 CO2化學脫附量，故證實氫氧化鎂在300－350°C 可以有效地吸收二氧化碳。另外，從動力學研究中，利用文獻的模式可描述氫氧化鎂於300－350°C 反應之行為，在此溫度範圍內CO2吸收速率和脫 OH 基速率比為固定，因此速率常數比也為固定，

故氫氧化鎂進行反應時，落在此溫度之間用此模式可以詮釋之。綜合以上研究發現，由固定化反應器和動力學證實：氫氧化鎂進行吸收二氧化碳之最適溫度為300－350°C。

六、參考文獻

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七、附表及附圖

₄

表1-2 蛇紋石經由化學活化之BET表面積、孔體積和平均孔徑 Sample BET surface

area (m²/g)

Total pore volume (ml/g)

Average pore diameter (nm)

Parent 8.2 0.017 8.5

HCl 79.5 0.085 4.3

H2SO4 330 0.234 2.8

H3PO4 122 0.097 3.2

NaOH 8.7 0.023 6.1

表1-3 不同礦物封存二氧化碳的特性 (Lackner et al.[4]；Wu et al., [24]) 岩石種類 MgO

【wt%】

CaO

【wt%】

橄欖石 49.5 0.3

蛇紋石 ~40 ~0

鈣矽石 ─ 35

滑石 44 ─

玄武石 6.2 9.4

表1-4 不同材料於不同二氧化碳分壓下可反應之最高溫度(Lackner et al.[4]) Mineral Tcmax【K】 Pco2【bar】

氧化鈣(CaO) 1161 1

1670 200

氧化鎂(MgO) 680 1

930 200

氫氧化鈣(Ca(OH)2) 1161 1

氫氧化鎂(Mg(OH)2) 680 1

鈣矽石(CaSiO3) 554 1

Forsterite(橄欖石的一種)(Mg2SiO4) 515 1 Chrysotile(蛇紋石一種)

(Mg3Si2O5(OH)4)

438 1

表3-1 蛇紋石及 Mg(OH)2的物理特性 Sample Surface area

(m²/g)

Pore volume (cm³/g)*

Aver. Pore size (Å)**

Treating time

(hr) pH 值未溶 coefficient, R

Time 275 2.967×10^-4 300 4.063×10^-3 325 3.287×10^-3 350 6.970×10^-2

表3-5 Mg(OH)2-lab2 在氮氣下進行套式 k(t+τ) = 1-(1-α)^1/3線性迴歸之結果 Temp

(°C)

Correlation coefficient, R

Time 275 2.037×10^-3 300 7.349×10^-2 325 2.033×10^-1 350 5.338×10^-2

表3-7 不同溫度的 n 值結果

表3-8 Mg(OH)2-ACROS 吸收二氧化碳之定量表 Sample (Mg(OH)2) 溫度(°C) 釋放量(μmol)

0.1 g, 1724 μmol 275 57.5

0.1 g, 1724 μmol 300 74.9

0.1 g, 1724 μmol 325 88.7

0.1 g, 1724 μmol 350 82.3

0.1 g, 1724 μmol 375 46.1

0.1 g, 1724 μmol 400 40.5

表3-9 Mg(OH)2-lab2 吸收二氧化碳之定量表

Sample (Mg(OH)2) 溫度(°C) 釋放量(μmol)

0.1 g, 1724 μmol 275 91.9

0.1 g, 1724 μmol 300 102.6

0.1 g, 1724 μmol 325 119.5

0.1 g, 1724 μmol 350 109.9

0.1 g, 1724 μmol 375 66.1

0.1 g, 1724 μmol 400 52.9

Mg₃Si₂O₅(OH)₄_(s) + 6HCl _(l) → 3MgCl₂_(aq) + 2SiO₂_(s) + 5H₂O _(l) (T=100°C)

Serpentine

MgCl₂·6H₂O _(l) →

MgCl(OH) _(l) + HCl _(l) + 5H₂O _(l) (T=250°C)

2MgCl(OH) _(l) →

Mg(OH)₂_(s) + MgCl₂_(l) (T=80°C)

Mg(OH)₂_(s) + CO₂_(g) →

MgCO₃_(s) + H₂O _(g) (T=375°C ,p_CO2=20atm)

Magnesite

CO2

HCl

H₂O

SiO₂

MgCl₂

圖1-2 二氧化碳封裝示意圖

圖1-3 橄欖石圖 1-4 蛇紋石

圖1-5 HCl釋放路徑之自由能主要步驟 (Butt et al., [26])

圖1-6 Mg(OH)2脫OH基形成MgO的關係圖(Mckelvy et al., [16]]

圖2-1 高溫高壓反應器（autoclave）

10 100 1000

在文檔中利用複合液滴噴注技術於燃燒系統進行二氧化碳之現址捕獲與轉化(1/3) (頁 58-67)