介孔SiO2吸附CO2的性能研究

以正硅酸乙酯（TEOS）为硅源,端氨基聚氧化丙烯醚（D2000）为模板剂,在水和乙醇的混合溶液中合成了蠕虫状介孔结构的介孔SiO₂（记为MSU-J）。采用物理浸渍的方法利用四乙烯五胺（TEPA）改性介孔MSU-J。采用红外、N₂吸附/脱附、元素分析表征改性介孔SiO₂。红外测试表明,经过物理浸渍可以将有机胺负载到介孔SiO₂上。N₂吸附/脱附试验表明,经过氨基修饰后,介孔SiO₂的介孔结构没有发生变化,但是介孔的孔容、孔径以及比表面积随着氨基浸渍量的增加而减小。在25℃和45℃,0.1 MPa下的纯CO₂吸附试验表明,氨基改性材料对CO₂吸附效果明显提高。当浸渍量为20%、吸附条件为25℃/0.1 MPa时,吸附量达到最大值138.6mg/g。当氨基含量继续增加时,吸附量反而降低。循环性试验表明,制备的吸附剂具有良好的循环性能,循环使用6次,材料的吸附量下降很少。     

混合胺改性SBA-15的二氧化碳吸附特性

为实现廉价高效的二氧化碳捕集，新型燃烧后CO₂捕集固体吸附材料的设计和开发具有重要的研究意义。为提高CO₂吸附量，胺功能化改性吸附剂的方法主要有湿浸渍和表面嫁接。基于此，提出了“混合胺”修饰的概念，把湿浸渍和表面嫁接两种改性技术结合起来。把3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTS）嫁接到分子筛SBA-15孔道表面，再把聚乙烯亚胺（PEI）浸渍到载体孔道的间隙，制备出高密度胺功能化的CO₂吸附剂。主要考察了不同含量的PEI和APTS功能化SBA-15的结构性能、CO₂吸附量及胺吸附效率。CO₂吸附结果表明，混合胺功能化SBA-15吸附主要依赖于动力学扩散。其中，SBA-15-（APTS-0.5-PEI-50），SBA-15-（APTS-1.0-PEI-50）和SBA-15-（APTS-2.0-PEI-30）在75℃时具有很好的吸附潜力。混合胺功能化SBA-15的胺吸附效率介于单纯嫁接和单纯浸渍的胺功能化SBA-15之间。     

有机胺功能化介孔固体吸附剂吸附分离CO2性能研究

针对当前固体胺CO₂吸附剂存在吸附容量小、循环稳定性差等问题,采用高比表面积、易嫁接胺的介孔SBA-15作为载体,研究分子筛模板剂脱除方法和有机胺改性方法对制备的固体吸附剂吸附性能的影响,并采用N₂物理吸附、X射线衍射、红外光谱、热失重分析等表征技术并对样品进行表征。实验结果表明,通过嫁接和浸渍能够合成出不同有机胺负载量的胺功能化吸附剂,其中混合胺嫁接法改性的APTES-SBA（U）-T60吸附剂其吸附容量最大,在75℃下的纯CO₂气氛中吸附量达到192.05 mg/g,优于溶剂萃取和煅烧法去除模板剂。此外,混合胺嫁接法制备的样品在多次的吸/脱附操作下,CO₂吸附稳定性良好,表明混合胺修饰的吸附剂具有很好的稳定性和再生性。     

TEPA负载复合氧化活性炭吸附烟气中的CO2性能

以商业煤基活性炭为原料,经低浓度氧气焙烧、H₂O₂氧化改性,并以四乙烯五胺（TEPA）浸渍,得到胺负载复合氧化活性炭,用于模拟烟道气[(15%(体积)CO₂+85%(体积)N₂）+10%(体积)H₂O]中CO₂吸附。低浓度氧气焙烧后,活性炭的最大比表面积和孔体积分别为1421.82 m²/g、0.83 cm³/g。经复合氧化改性后,活性炭的介孔体积增大,表面含氧官能团增加,使得TEPA负载复合氧化活性炭的CO₂吸附性能提高。焙烧时间为4 h,H₂O₂氧化、负载40%TEPA的样品COAC-4-40TEPA,在60℃时CO₂饱和吸附量最高为2.45 mmol/g,是TEPA负载未改性活性炭AC-40TEPA的2.02倍。经过十次吸附循环后,COAC-4-40TEPA的 CO₂饱和吸附量可维持在92.24%,而TEPA的浸出量仅有0.67%。失活模型研究表明,COAC-4-40TEPA的初始吸附速率常数是AC-40TEPA的1.64倍,且失活速率常数低于AC-40TEPA。     

脱硫石膏改性固体胺复合材料的制备及脱碳性能

将榴莲壳碳化制备生物炭（BC）,与硅钙渣混合作复合载体,在其表面浸渍负载五乙烯六胺（PEHA）,并加入含水分的脱硫石膏（FGDG）,得到胺功能化的含水CO₂固体吸附剂,与不含脱硫石膏的吸附剂相比吸附活性明显改善。通过FT-IR、TGA、SEM及N₂吸脱附等手段对吸附剂进行了表征,并在固定床反应器中考察了吸附剂脱硫石膏含量、吸附温度和CO₂浓度对吸附性能的影响。结果表明,脱硫石膏中水的存在改变了氨基与CO₂的相互作用机理。当脱硫石膏含量为30%、吸附温度为85℃时,CO₂最大吸附量为2.33 mmol/g。经12次循环再生后吸附量仅下降了4.2%,表现出良好的吸附稳定性。Clausius-Clapeyron方程计算的等量吸附热介于物理与化学吸附热之间,说明吸附过程中物理与化学作用同时进行。用多个动力学模型对实验数据进行拟合,pseudo-first-order与pseudo-second-order模型均不能准确拟合实验数据,而Avrami模型可较好地拟合整个吸附过程,进一步验证BC/SCS-PEHA-30% FGDG的CO₂吸附过程并非单纯的物理或化学吸附,而是两者同时发生。     

高岭土-硅酸锂的制备及其吸附CO2动力学

以煤系高岭土为硅源,采用浸渍沉淀法制备硅酸锂吸附剂。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜分别表征和分析了样品的结构特征和形貌特征,并使用差热-热重联用分析仪研究了硅酸锂吸附CO₂的性能。实验结果表明,与以市售-SiO₂为硅源制备的硅酸锂相比,高岭土-硅酸锂在较低温度下有明显的吸附CO₂优势;采用浸渍沉淀法可成功制备出纯度较高的硅酸锂,最大吸附量为35.7%(704℃)(文中吸附量均为质量分数),高出固相法5.9%;采用双指数模型对硅酸锂吸附CO₂进行动力学分析,温度低于600℃时,表面化学反应过程是整个反应过程的控制步骤。高于650℃,锂迁移成为控制步骤。在吸附CO₂的过程中,浸渍沉淀法制备的样品锂迁移速率是固相法的1.5～2.2倍,低于650℃时的吸附,浸渍沉淀法的样品表面化学反应速率皆高于固相法。     

四乙烯五胺改性多孔二氧化硅制备及CO2吸附性能

以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂，原硅酸乙酯（TEOS）为硅源，1,3,5-三异丙基苯（TPB）为扩孔剂，制备不同孔道结构的多孔二氧化硅纳米微球（PSNs），将四乙烯五胺（TEPA）通过物理浸渍法负载到PSNs上，合成TEPA-PSNs吸附剂。利用扫描电镜、透射电镜、红外光谱、N₂吸附-脱附循环实验和热重分析对材料的结构性能和热稳定性能进行表征，成功制备了具有不同孔道结构的胺基化多孔二氧化硅。对吸附剂材料进行CO₂吸脱附实验和动力学研究，结果表明：当TPB含量增多时，吸附剂材料吸附的CO₂量也随之增大，并且TEPA-PSNs-0.5在75℃时吸附量最大，达4.70mmol/g；一阶动力学模型能较好地预测该吸附剂的CO₂吸附过程；经过5次循环，其再生性能仍然高达94.34%。因此，合成的胺基化多孔二氧化硅具有高吸附量和良好稳定性，是用于二氧化碳捕集的潜在材料。     

改性氧化钛对羟乙基乙二胺水溶液解吸CO2的强化

羟乙基乙二胺（AEE）水溶液的CO₂循环吸收量高（1.2molCO₂/molAEE）,吸收速度快,稳定性好,但解吸速度慢、解吸量少（0.8mol CO₂/mol AEE）是限制该技术广泛应用的主要原因。本文通过向AEE水溶液中添加质量分数为0.05%～0.20%的改性氧化钛（TiO₂-MWCNT和TiO₂-OH）强化AEE的解吸能力。CO₂循环吸收（40℃）-解吸（120℃）实验结果表明改性氧化钛的添加比氧化钛强化CO₂解吸效果更好,强化顺序为TiO₂-MWCNT＞TiO₂-OH;其对应的最大解吸速率分别为0.093L/min（质量分数0.15%）和0.083L/min（质量分数0.20%）,相对于AEE水溶液,分别提高了32.9%和18.6%;其对应的最大解吸量分别为0.92molCO₂/molAEE（质量分数0.15%）和0.88molCO₂/molAEE（质量分数0.20%）,分别提高了12.2%和9.7%;其对应的CO₂循环吸收量分别是0.95molCO₂/molAEE（质量分数0.15%）和0.89molCO₂/molAEE（质量分数0.15%）,分别提高了18.75%和11.25%;5次循环吸收解吸实验结果表明改性氧化钛强化CO₂解吸效果稳定,具有较强的化学稳定性。对反应后的改性氧化钛进行XRD、BET、FTIR和SEM表征,结果表明改性氧化钛具有较强的结构稳定性。TiO₂-MWCNT和TiO₂-OH在促进有机胺溶液解吸CO₂方面具有一定的工业应用潜力。     

污泥基活性炭制备改性及其吸附甲苯性能

以石化企业干化剩余活性污泥为炭源前体、ZnCl₂溶液为活化剂,在613℃条件下炭化70min制得了碘值为683.40mg/g、产率为55.5%的污泥基活性炭（SAC,sludge-based activated carbon）样品,并进一步利用不同浓度的HNO₃、H₂SO₄和H₂O₂溶液为改性剂对SAC氧化改性,通过碘值测定、BET、Boehm滴定、ICP、FTIR、XRD、SEM、TEM等手段对改性前后SAC样品进行了表征分析和对比研究。结果表明,HNO₃和H₂SO₄改性后SAC的BET比表面积、孔容、碘值均明显增加,可有效提高SAC吸附性能,当HNO₃浓度为0.5mol/L、H₂SO₄浓度为1.0mol/L时改性效果最好,动态吸附甲苯的吸附量较改性前分别提高了38.80%和27.19%,吸附穿透时间也明显延长;而对于H₂O₂溶液为改性剂,总体上不利于SAC吸附性能的提高。对甲苯吸附效果最好的几种改性SAC材料进行再生性能测试,均展现了良好的再生循环利用性能。     

NH4Cl改性活性炭脱除气态Hg0的特性分析

制备了原始活性炭与NH₄Cl改性活性炭,对其进行了物化特性表征,在固定床汞吸附实验台上考察了N₂气氛下颗粒粒径、NH₄Cl溶液浓度、SO₂、CO₂等因素对活性炭脱除Hg⁰性能的影响。研究结果表明：NH₄Cl浸渍改性没有造成活性炭孔隙结构的明显变化,但使得Cl元素成功担载到活性炭表面;随着颗粒粒径增大,活性炭吸附Hg⁰的外部传质速率、内部扩散速率均降低,较小的颗粒粒径有利于活性炭脱汞;由NH₄Cl改性在活性炭表面所产生的卤素官能团（AC-Cl）能够有效地氧化烟气中的Hg⁰,增强了活性炭对于Hg⁰的氧化吸附作用;SO₂能有限地促进原始活性炭的脱汞性能,对NH₄Cl改性活性炭脱汞性能则表现出先促进后抑制并主要体现抑制作用的现象,并且抑制作用随SO₂浓度的增大而增加;CO₂由于能在活性炭表面极化,且能与氨基官能团反应生成有利于吸附汞的羰基,促进了活性炭的脱汞性能。     

Tuning porosity of coal-derived activated carbons for CO2 adsorption

A simple method was developed to tune the porosity of coal-derived activated carbons, which provided a model adsorbent system to investigate the volumetric CO₂ adsorption performance. Specifically, the method involved the variation of the activation temperature in a K₂CO₃ induced chemical activation process which could yield activated carbons with defined microporous (< 2 nm, including ultra-microporous < 1 nm) and meso-micro-porous structures. CO₂ adsorption isotherms revealed that the microporous activated carbon has the highest measured CO₂ adsorption capacity (6.0 mmol∙g^–1 at 0 °C and 4.1 mmol∙g^–1 at 25 °C), whilst ultra-microporous activated carbon with a high packing density exhibited the highest normalized capacity with respect to packing volume (1.8 mmol∙cm⁻³ at 0 °C and 1.3 mmol∙cm^–3 at 25 °C), which is significant. Both experimental correlation analysis and molecular dynamics simulation demonstrated that (i) volumetric CO₂ adsorption capacity is directly proportional to the ultra-micropore volume, and (ii) an increase in micropore sizes is beneficial to improve the volumetric capacity, but may lead a low CO₂ adsorption density and thus low pore space utilization efficiency. The adsorption experiments on the activated carbons established the criterion for designing CO₂ adsorbents with high volumetric adsorption capacity.     

煤-生物质基活性炭成孔机制及其吸附乙酸乙酯的性能

以CO₂为活化气氛,通过一步快速热解活化法从黑山煤粉与生物质混合物中制取活性炭。讨论了不同质量比率、活化温度和CO₂浓度对活性炭比表面积的影响。通过N₂吸附（BET）、扫描电镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）和红外光谱（FTIR）对活性炭的性能进行了表征。确定了制备活性炭的最佳条件为活化温度900℃、质量比1、CO₂体积分数30%、活化时间120min时,活性炭的比表面积和孔容最大,分别为901m²/g和0.39cm³/g。最后,用乙酸乙酯吸附量验证了其吸附性能,最大累积吸附量为766.51mg/g。     

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。     

低湿CO2/H2O混合气体吸附特性实验

CO₂捕集、封存及利用是实现“双碳”目标的重要途径,为将碳捕集后的低湿CO₂/H₂O进行CO₂提纯和资源化利用,采用动态吸附实验研究了不同温度（303K、313K）、H₂O含量（0.7%~3.0%）的CO₂/H₂O在活性炭、活性氧化铝、分子筛3A和13X四种吸附剂上的动态吸附穿透曲线、吸附床温度分布、吸附量,分析了CO₂/H₂O分离系数和吸附热。结果表明,在CO₂/H₂O动态吸附过程中,吸附床温度与各组分浓度随时间变化趋势相同。H₂O饱和时间随进气温度升高而缩短;H₂O含量增加,抑制CO₂吸附;活性炭和氧化铝中H₂O的饱和时间随H₂O含量增加而增长,但分子筛3A和13X饱和时间缩短。H₂O吸附量随H₂O含量增加而增加,吸附热随吸附量增加而减小,CO₂则相反。分子筛3A对CO₂吸附量最小且CO₂/H₂O分离系数最大。H₂O含量小于1%时,CO₂吸附量最大的分子筛13X分离系数大于活性氧化铝,分子筛3A和13X适合分离低湿CO₂/H₂O。     

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。     

碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能

选择碳分子筛,以CH₄和CO₂为原料气,对变压吸附法提纯沼气中生物甲烷的分离性能进行了研究。采用高精度智能重量分析仪IGA-100测定了25℃下CH₄、CO₂和N₂纯组分气体在碳分子筛上的吸附平衡等温线,计算了3种气体在碳分子筛内的扩散速率CO₂>N₂>CH₄。使用单塔变压吸附装置测量了动态吸附穿透曲线,考察了吸附压力、气体流量和少量氮气等因素对吸附分离的影响,并对吸附机理做了初步探讨。实验结果表明,在吸附压力为0.4MPa、气体流量为200mL/min时,在碳分子筛上CO₂穿透吸附量为35.9mL/g,CH₄穿透吸附量为5.4mL/g,CO₂/CH₄分离系数高达12.6,可直接从吸附塔顶富集纯净的CH₄,而且碳分子筛可以通过抽真空完全再生,是一种理想的吸附材料;在有少量氮气存在的实验条件下,由于碳分子筛对CH₄和N₂具有动力学分离效应,仍能在塔顶富集高浓度的CH₄。     

Co改性活性炭吸附NO的实验研究

采用Co(NO_3)_2对活性炭进行改性,考察浸渍浓度和吸附温度等条件对活性炭吸附NO性能的影响,并对已吸附NO的0.3 mol·L~(-1)的Co(NO_3)_2改性活性炭进行再生。通过BET、SEM、吸附等温线和FT-IR表征样品的比表面积、颗粒形貌和表面官能团。结果表明,当浸渍溶液浓度为0.3 mol·L~(-1)时,吸附效果最佳,80 min时吸附效率达88.90%。活性炭的吸附效率随着温度升高而降低,用0.3 mol·L~(-1)Co(NO_3)_2改性的活性炭在200℃时的吸附效率大于90%,并可持续50 min。SEM和FT-IR表征结果表明,在Co(NO_3)_2改性的活性炭表面和孔隙生成了Co_3O_4,促进NO催化氧化为NO_2并进行吸附。加热再生后的0.3 mol·L~(-1)Co(NO_3)_2改性活性炭对NO的吸附效率在60 min内仍高于88.90%,再生效果较好,可持续再生利用。