多孔材料功能化及其吸附捕集CO2性能的研究

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“温室效应”已成为人类面临的重大环境问题。“温室效应”的产生主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气,大量排放尾气,这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。从长远来看,提高能源使用效率,节能减排,调整能源结构,大力发展可再生能源、风能、水能和核能等,以及加大二氧化碳的捕集和储存(CCS),多种策略的有效结合是二氧化碳减排的必要保证。然而,从近期看,二氧化碳的捕集、储存和资源化利用,将成为最有效、最可靠的减轻“温室效应”的选择。吸附法分离CO2具有能耗低、技术较为成熟等优势,逐渐成为一种可以替代传统醇胺法的新技术。近年来,为了提高CO2吸附剂的吸附容量和选择性,对无机多孔材料进行功能化修饰成为了一个研究热点。采用不同的合成方法,制备了具有不同孔容的SBA-15,将其作为载体,负载相同量的聚乙烯亚胺(PEI)进行功能化,随后以浓度为15.1%的CO2气体作为模拟气体,在常压及30-75oC温度下,考察了一系列功能化吸附剂吸附捕集CO2的性能,结果表明,在动态吸附的条件下,CO2的吸附量与SBA-15载体的总孔容表现了良好的线性关系(R2>0.94)。温度对吸附剂吸附捕集CO2也有重要的影响,在75oC时,以具有最大孔容的SBA-15制得的吸附剂,CO2吸附量最高,可达105.2mg/g。吸脱附循环测试表明,大孔容的SBA-15载体所制备的吸附剂,循环使用性能也较好。以常规方法制备的SBA-15含有大量的微孔。为了考察微孔在SBA-15和PEI负载的SBA-15吸附剂吸附捕集CO2时的作用,通过在合成过程中加入无机盐的方法,制备了含有不同微孔孔容的SBA-15,并测试了SBA-15及20wt%PEI负载的SBA-15吸附剂在0oC,5oC和10oC时的CO2吸附等温线,并以Freundlich方程进行了模拟,以Clausius-Clapeyron方程计算了吸附热,结果表明,未负载PEI之前,SBA-15对CO2的吸附量随着微孔含量的增加而增大,负载了PEI之后,SBA-15载体微孔的作用消失了,而其吸附量与吸附剂的比表面积成正比。通过前面的研究发现,载体孔容对PEI功能化吸附剂的吸附性能有重要影响,因此,通过对SBA-15扩孔,制备了多孔泡沫硅材料(MCF),并将其用作负载PEI的载体,制备了一系列CO2吸附剂,考察了其CO2吸附性能,并对MCF载体的窗口尺寸对CO2吸附性能的影响做了详细的研究。结果表明,具有大的窗口尺寸的MCF是一种比较好的载体。通过优化条件,在50wt%PEI的负载量下,具有大的窗口尺寸的MCF基吸附剂,在75oC下,对CO2的吸附量可高达152.0mg/g,而且,该吸附剂具有较好的循环使用性能。由于介孔硅基的CO2吸附剂成本较高,因此,以成型的多孔氧化铝材料作为载体,并以PEI进行功能化,制备了氧化铝基CO2吸附剂,结果表明,引入PEI之后,多孔氧化铝对CO2的吸附量有了极大的提高。与前述氧化硅基吸附剂相比,单位质量的氧化铝基吸附剂对CO2的吸附量略低,然而,在同样条件下,单位体积的氧化铝基吸附剂对CO2的吸附量可高达70.1mg/mL,且具有较好的循环使用性能,因此,极具应用前景。金属有机骨架材料作为一种新型的吸附材料,引起了人们的广泛关注,通过不同的化学溶剂处理,极大地改善了金属有机骨架材料Cu3(BTC)2(HKUST-1)的CO2吸附性能。将所制备的HKUST-1材料,在65oC下,于氯化铵的乙醇溶液中处理24h,所得到的吸附剂在0oC下的CO2吸附量高达11.6mmol/g,比原HKUST-1提高了61%,而且,该吸附剂还具有再生温度低和稳定性较好等优点。
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