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众所周知，C02气体对增强温室效应的贡献大约是66%，而且以每年0.5%的速度增加(见表1-1)，由表1-1可知在各种主要温室气体中C02气体对温室效应的贡献最大[4]。经济发展使得人类能源总消耗显著增加，进而对化石燃料的需求量不断增加，必然导致C02气体的排放量日趋增大，如果不妥善解决C02气体排放问题就会造成越来越严重的温室效应，使得地球温度逐年升高地球变暖显著加强[4]。因此，人类只有从根本上解决C02气体的排放问题，才能真正解决由于排放温室气体所导致的地球变暖。
表1-1 大气温室气体的主要来源及其对温室效应的贡献表[4]
温室气体种类 温室气体的主要来源 温室气体对温室
效应的贡献(%) 大气中每年的
增加量(%)
C02 燃烧化石燃料 66 0.50
CH4 种植业和养殖业 20 0.90
N20 各种燃烧过程 4 0.25
其他 制冷作业 10 4.0
为了实现最终减排目标，最好的方法就是实现从燃煤锅炉的烟气中将C02气体分离，表1-2为工业CO2气源及常用的分离方法[5]。由表1-2可知，吸附法适用于低浓度C02气体的场合。由于燃煤锅炉烟气具有温度高、排放量大的特点，因此研究开发经济高效的高温C02气体分离捕集技术具有现实意义[5]。
表1-2 工业CO2气源及常用的分离方法[5]
工业CO2气源 烟道气、锅炉 石灰石 油田、粮食发酵 合成氨脱碳等
CO2浓度/% 10-18 20-40 60-80 85-95
分离方法 吸附 吸附 精馏 精馏
目前，国内外相关领域的专家学者关于C02气体吸附的研究主要是高温C02气体吸附剂。高温C02气体吸附剂主要包括碳基吸附剂、沸石、类水滑石化合物及高温C02气体吸收剂中的铿基吸收剂和钙基吸收剂等[6]。但是，目前高温吸附剂存在许多难以从根本上解决的问题，相关领域的研究人员发现C02气体膜分离技术是解决这一问题的好方法。目前国内外已经发现可以用于C02气体脱除与浓缩的成熟膜技术主要有以下三类:第一，C02气体膜分离技术--液膜技术[6]；第二，C02气体膜分离技术--无机膜、聚合物膜等固体膜技术[6]；第三，C02气体膜分离技术--杂化膜过程，包括与电化学方法相结合的无机膜分离过程以及膜基气体吸收[6]。众所周知，最适合用于C02气体膜分离的技术的设备就是双流化床。基于这一出发点，本文主要通过多个角度设计了水滑石基CO2热态吸附和分离双流化床反应器实验装置，通过这一装置的设计计算及后续试验研究为最终完成论文水滑石基CO2吸附剂的制备与性能测试做铺垫。
1.2 水滑石和类水滑石
1.2.1 水滑石和类水滑石的主要性质
水滑石类化合物包括水滑石化合物和类水滑石化合物[7]。水滑石化合物是一种层状的超分子无机化合物[7]，其典型结构是：由二文金属氢氧化物构成的层板横向延伸，在纵向通过与特定阴离子的化学作用进行有序的排列，形成特定的三文金属氢氧化物结构[7]。类水滑石化合物一般主要由二价和三价的的金属氢氧化物构成层板，故人们又称类水滑石化合物为层状双金属氢氧化物[7]。水滑石化合物的层板上金属原子间通过特定的共价键结合，层板间阴离子通过离子键、氢键等弱化学作用与层板相连接[7]。带正电荷的层板骨架和带负电荷的层间阴离子相互平衡，使水滑石化合物整体呈电中性[7]。层板夹层中可以用的阴离子种类非常多，且阴离子很容易被其他阴离子替换，人们发现可以被替换进入水滑石夹层的阴离子主要包括无机阴离子、有机阴离子、DNA分子在内的诸多基团等[7]。水滑石的这种特殊的性质导致了其在先进功能材料方面（主要包括吸波材料、阻燃材料、医药材料、光电材料、催化材料、吸附分离材料等）有非常多的应用[7]。本文将重点研究水滑石颗粒作为吸附分离材料尤其是吸附分离C02气体方面的相关特性，为后续部分进行水滑石基CO2吸附剂的制备与性能测试做铺垫。