葡萄糖基多孔碳材料对CO2/CH4的分离性能

以淀粉糖（主要成分为葡萄糖）为碳前体,制备了一系列多孔碳材料（C-GLCs-800）,对其进行孔隙结构分析,并应用FT-IR、SEM、TGA对其进行了表征,测定了材料在288、298和308 K下的CO₂和CH₄吸附等温线,根据IAST理论预测了材料对CO₂/CH₄二元体系的吸附选择性。实验结果显示,活化条件对材料的孔隙结构有明显影响,随着KOH/C质量比的增加,所制备的C-GLCs-800比表面积和总孔容先增加后降低。其中C-GLC-800-4的BET比表面积高达3153 m²·g^-1,总孔容为2.056 cm³·g^-1。C-GLC-800-2的窄微孔（V_d<1 nm,孔容0.3538 cm³·g^-1）含量最高,为30.63%。C-GLC-800-2在298 K和10⁵ Pa下对CO₂吸附量高达3.96 mmol·g^-1,明显高于许多传统吸附材料和MOFs材料在相同条件下对CO₂的吸附容量。应用Clausiuse-Clapeyron方程计算了CO₂和CH₄在材料上的吸附热,应用IAST理论计算了CO₂/CH₄的吸附选择性,结果显示C-GLC-800-2对CO₂/CH₄的吸附选择性为8.35。     

离子液体自模板合成多孔碳氮材料及其对二氧化碳的吸附

以多种氰基离子液体为前驱体,采用高温碳化法直接制备多孔碳氮材料,系统考察了离子液体前驱体阳离子结构、阴离子种类及合成条件等因素对碳化材料比表面积、氮元素含量及氮种类的影响,并研究其对CO2的吸附性能。结果表明,阴离子在聚合过程中起模板剂的作用。合成材料主要呈介孔结构,比表面积最高达732.6 m2/g,氮含量最高为9.9wt%,在温度25℃、压力1.8 MPa条件下,CO2的吸附量最高达20.9wt%。多孔碳氮材料经180℃真空加热后可完全脱附再生,再生稳定性良好。     

碱式碳酸镁催化酚醛聚合制备多孔炭及其CO2吸附性能

利用碱式碳酸镁的催化功能及易分解特性,实现间苯二酚、甲醛的快速凝胶,炭化得到孔隙发达的整体式多孔炭(MCM-Mg),其轴向抗压强度达9.4 MPa。与普通碳酸盐催化的样品相比,MCM-Mg孔隙更为发达。273 K下该系列样品的静态CO₂吸附量可达3.49~4.50 mmol·g^-1 (0.1 MPa),0.015 MPa最高可达1.87 mmol·g^-1。研究发现,微孔对材料吸附性能起主导作用;MCM-Mg的单位微孔比表面积可吸附7.15 μmol CO₂,超过了大部分活化法制备的炭材料。多组分动态穿透实验表明,该系列材料可实现CO₂/N₂的完全分离;材料具有良好的耐水汽性能和循环吸附-脱附性能,室温下经惰性气体吹扫即可实现再生。     

混合塑料与改性煤矸石模板制备多孔碳材料及其吸附性能的研究

以塑料为原料、改性煤矸石为模板,在管式炉中用KOH进行活化制备多孔碳材料(PCM)。利用SEM、FT-IR、XRD和氮气吸-脱附对样品的形貌、成分及孔结构进行表征,并以亚甲基蓝(MB)为模拟污染物研究碳材料的吸附性能。结果表明,10 mg PCM在240 min内可使初始质量浓度为100 mg/L的MB几乎完全吸附,吸附量达498. 35 mg/g,降解率达99. 67%。对吸附过程进行拟合后得出,准二级动力学模型可以更好地描述该吸附过程,吸附等温模型符合Langmuir吸附等温模型。     

硼碳氮多孔材料的制备及其吸附再生性能研究

硼碳氮(BCN)多孔材料因其具有高的比表面积、优异的化学稳定性而被认为是一种优异的吸附材料。本文以废弃椰壳、硼酸(H₃BO₃)和尿素(CO(NH₂)₂)为原料,采用冷冻干燥法制备多孔生胚,并在NH₃气氛下通过高温固相反应法在不同的反应温度下合成BCN多孔材料。结果表明,随着反应温度的升高,BCN多孔材料孔径逐渐变大,当反应温度为950 ℃时平均孔径为2.1 nm。将BCN多孔材料用于吸附水中孔雀石绿(MG)有机染料,其最大吸附量可达1 239.8 mg·g^-1,5次循环再生后吸附量平均值仍高达1 138.6 mg·g^-1,说明BCN多孔材料具有优异的循环吸附性能。采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型、准一级和准二级吸附动力学模型研究了浓度、吸附时间和平衡吸附量之间的关系。结果表明,BCN多孔材料的吸附与准二级吸附动力学模型吻合,其对MG的吸附属于均匀表面单层分子的Langmuir等温吸附。BCN多孔材料展现出优异的吸附能力,是一种非常有应用前景的新型吸附剂。     

大豆基碱性多孔碳材料的制备与性能研究

介绍了一种简单快速,低成本的制备碱性掺氮多孔碳材料的方法。以富含蛋白质的天然大豆为碳源和氮源,经过碳化和水蒸气活化制备出了碱性多孔碳材料。采用N2物理吸附,扫描电镜,Boehm滴定,傅里叶变换红外以及CO2-TPD,元素分析等技术对所得碳材料进行了表征。结果表明,大豆中蛋白质氨基酸的氮元素在制备过程中被原位保留下来,使制得的活性炭表面具有较大量的碱性基团。并且碱性基团的含量随着活化时间的延长逐渐增加。当活化温度为800℃,活化时间为20 min时,所得活性炭的碱性基团含量达到5.496mmol/g。所得碳材料用于低浓度CO2的吸附,研究发现样品BC-sa-800-5对CO2和N2混合气体具有很好的分离效果,分离因子达到8.334。     

淀粉基多孔碳材料的制备及其吸附CO_2/CH_4性能

以淀粉为原料,使用水热法将其碳化后用活化剂KOH对其活化,制备了淀粉基多孔碳材料,并对其进行结构表征和CO_2/CH_4的吸附性能测试,计算吸附热以及材料对CO_2/CH_4的吸附选择性,讨论了碳材料结构对其吸附性能的影响。结果表明:在制备过程中,随着活化剂KOH用量比例的增大,所制得的材料其比表面积和孔容增大,其孔径分布也就越宽。所制得的碳材料其比表面积可达2972 m2·g-1。这些淀粉基多孔碳材料对水蒸气的吸附等温线呈现出Ⅳ类等温线。所制备材料对CO_2吸附容量主要取决于其孔径小于0.8 nm的累积孔容(Vd0.8 nm)。材料的超微孔的孔容越大,其对CO_2吸附容量也越大。所制备的C-KOH-1材料在101325 Pa和298 K条件下,对CO_2的吸附量达到4.2 mmol·g-1,其对CO_2的吸附热明显高于其对CH_4吸附热,其对CO_2/CH_4吸附选择性为3.7~4.26,同时本文通过对材料的水蒸气吸附等温线进行测试,结果表明所得材料主要表现为中等憎水性,这对材料在实际工况的应用奠定了基础。     

碳质吸附剂对CO2的吸附、捕集和分离

温室效应日渐显著,如何减少温室气体CO2的排放以及如何将大气中的CO2富集、分离并加以应用逐渐成为科学研究的热点.碳质吸附材料因其优良的吸附性能和发达的孔隙结构,在气体分离领域起着重要的作用;同时碳质材料的化学性质稳定,可以在很广的工作条件下应用.由此,碳质材料作为CO2的分离和捕集介质在许多方面都具有很大的优势.本文简要介绍近年来运用碳质材料吸附、捕集和分离CO2的研究进展.     

氙常温吸附性能与多孔碳材料孔径分布关联分析

以多孔碳材料为研究对象,测量分析了材料孔径分布和氙吸附性能,讨论了氙吸附性能与材料孔径分布之间的关联关系。结果表明,多孔材料的微孔孔容与其比表面积呈正相关;大气氙常温吸附集中于多孔材料的微孔孔道内,氙吸附能力与材料中孔无显著关联;氙常温吸附能力与碳材料5.0～7.0?的微孔孔体积相关性较显著,大于10.0?微孔孔容关联较小。     

纤维素基多孔炭的制备及其用于CO2吸附与分离的研究

多孔炭被广泛用于气体吸附与分离、空气和水的净化、催化等领域。以生物质为原料制备多孔炭将为开发功能多孔材料提供一种绿色、可持续的路径。总结了近年来以纤维素为原料合成多孔炭的研究进展,并着重介绍了纤维素基多孔炭在CO_2吸附与分离等领域的应用。     

沸石分子筛对CO_2/CH_4混合气的分离效果研究

选取5A沸石分子筛作为脱碳吸附材料,考察了其对CO2及CH4单组份的吸附效果。结果表明,5A分子筛真空解吸在1 h 50 min即可达到解吸、脱碳、再生的目的,且经8次重复吸附-解吸后仍具有较高及较稳定的脱碳效率。将5A分子筛应用到沼气实际分离实验中,在沼气中n(CO2)∶n(CH4)=40∶60的条件下,经单塔处理可达0.17 m3/kg处理量,甲烷纯度可达97%以上,且连续处理速率为0.60 m3/(h·kg),该研究为今后的沼气分离工程提供了技术参数。     

Adsorbents for adsorption separation of CO2 and CH4: A literature review

Natural gas consisting mainly of methane is becoming increasingly prominent as a clean energy source. However, the major impurity, carbon dioxide, can adversely affect the performance of natural gas. Therefore, separating CO₂ from CH₄ is necessary to decrease the erosion of pipelines and increase the calorific value. This paper aimed at reviewing the performances, mechanisms, and novel developments of common adsorbents to adsorb pure CH₄, pure CO₂, and their mixtures. Several studies suggest that zeolites exhibit better separating performance than metal organic frameworks (MOFs) except the modified amine-MIL group. Activated carbons may not be suitable adsorbents due to low selectivity between CO₂ and CH₄. The modified amine-MIL group are the best type of adsorbent to separate CO₂ from CH₄ and its best operating conditions are at low pressure (<2 bar), low feed composition of CO₂, and near room temperature using pressure swing adsorption (PSA) method.     

不同管径碳纳米管中CO2/CH4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。     

MER型沸石吸附分离CO2/CH4的分子模拟

MER型沸石在吸附分离CO₂/CH₄方面展现出良好的工业应用前景,受到广泛关注,但还缺乏理论基础数据。本文采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟方法,以全硅MER型沸石作为对照,模拟分析了CO₂/CH₄在Na⁺、K⁺、Cs⁺和Ca²⁺交换的MER型沸石中的吸附分离行为。结果表明：不同阳离子交换的MER型沸石对CO₂和CH₄的吸附符合Langmuir-Freundlich吸附等温线模型,平衡吸附量的大小顺序为：Ca-MER＞Na-MER＞K-MER＞Cs-MER,与沸石的自由体积和比表面积大小顺序一致,且近似成线性关系,选用高价阳离子MER型沸石可以提高吸附量;CO₂和CH₄主要分布在沸石的pau笼中,在d8R笼和ste笼中也有少量分布;骨架外阳离子与CO₂的强吸附作用和独特的八元环窗口孔径是MER型沸石对CO₂/CH₄混合组分表现出超高吸附选择性的原因,吸附选择性高达1000以上。综合吸附量、吸附热和吸附选择性分析指出,Na-MER和K-MER型沸石是优良的CO₂吸附剂。本研究为MER型沸石吸附分离CO₂/CH₄提供了理论依据和实验指导。     

AC/X-G吸附剂的制备及CH4/N2吸附分离性能

采用浓度为0.2g·ml^-1的葡萄糖溶液对13X沸石/活性炭复合材料(AC/X)进行碳沉积,研究沉积次数对复合吸附剂(AC/X-G)孔结构、表面性质和CH₄/N₂吸附分离性能的影响。通过X射线衍射,77K下的N₂吸附/脱附,扫描电镜,CO₂-TPD以及红外光谱表征样品的晶型、孔结构和表面性质,在298K、100kPa下对其CH₄和N₂吸附等温线进行测定,并将吸附结果与文献中碳材料和13X沸石的吸附性能进行比较。结果表明:随着沉积次数的增加,AC/X-G吸附剂中X型沸石的相对含量降低,微孔比表面积和微孔体积减少。AC/X-G的表面被碳膜覆盖,碱量降低,但出现强碱位和含氧基团C-O键。AC/X-G的CH₄和N₂吸附量下降,但吸附分离系数提高,沉积3次的样品AC/X-G-3的CH₄/N₂吸附分离系数达到3.0,表面的含氧基团有利于提高复合材料的CH₄/N₂吸附分离性能。     

Fabrication and characterization of PEI/PVP‐based carbon hollow fiber membranes for CO2/CH4 and CO2/N2 separation

Carbon hollow fiber membranes derived from polymer blend of polyetherimide and polyvinylpyrrolidone (PVP) were extensively prepared through stabilization under air atmosphere followed by carbonization under N₂ atmosphere. The effects of the PVP compositions on the thermal behavior, structure, and gas permeation properties were investigated thoroughly by means of differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, X‐ray diffraction, and pure gas permeation apparatus. The experimental results indicate that the transport mechanism of small gas molecules of N₂, CO₂, and CH₄ is dominated by the molecular sieving effect. The gas permeation properties of the prepared carbon membranes have a strong dependency on PVP composition. The carbon membranes prepared from polymer blends with 6 wt % PVP demonstrated the highest CO₂/CH₄ and CO₂/N₂ selectivities of 55.33 and 41.50, respectively. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 58: 3167–3175, 2012     

吸附剂特性对CO2/CH4吸附分离的影响分析

用于CO2/CH4二元混合体系吸附分离的吸附剂种类较多,效果参差不齐,而吸附剂的各种特性是影响分离效果的主要原因。本文从吸附剂特性出发,总结了孔结构、可交换阳离子、表面化学以及吸附剂湿度4个因素对吸附分离效果的影响,并解释了造成各种影响的原因。得出结论：中孔有利于该二元体系的分离和胺基嫁接;在吸附剂骨架之外引入合适的可交换阳离子可促进吸附剂与CO2四极矩之间吸引力,提升分离效果;吸附剂的表面羟基也是影响胺基嫁接的重要因素;水分既有利于该体系的吸附分离,又可以促进胺基吸附剂再生。     

Separation of CO2 and CH4 on CaX zeolite for use in Landfill gas separation

In this study, adsorption separation of main components of landfill gas, methane (CH₄) and carbon dioxide (CO₂) was carried out. Henry's law constants, limiting heat of adsorption values, pure and binary isotherms for CO₂ and CH₄ were determined for CaX zeolite adsorbent. Pure isotherm data were compared to those for NaX zeolite from previous studies. The CO₂ adsorption capacity of CaX was greater than that of NaX; however, NaX's separation factor was higher. The heat of adsorption for CO₂ for CaX was higher than those for NaX. © 2013 Canadian Society for Chemical Engineering