微孔@介孔分子筛/氨基复合物在水汽共存下的CO2吸附性能

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吸附法是CO2捕集分离的重要方法之一,其关键是高效吸附剂的开发。在潮湿条件下,吸附剂会优先吸附H2O分子而使大部分商用分子筛失去CO2吸附性能,这是一直以来难以解决的关键问题。因此分子筛在水汽共存下能够保持CO2的高效吸附性是目前CO2吸附捕集的重要课题。  本论文提出了一种简单有效的解决方法,即以商业沸石颗粒为核,构筑核壳结构,并进行氨基修饰,壳层修饰的氨基可以和H2O分子作用,在一定的时间内有效地阻止H2O分子扩散进入沸石,即动力学阻碍作用。因此,即使在水汽共存下,材料也具有优异的CO2吸附能力。主要工作包括以下三个方面:  (1)物理浸渍法合成5A@MS-PEI复合材料提高CO2的吸附性能。首先通过溶胶-凝胶涂层法在商用分子筛表面合成了介孔二氧化硅薄层,再通过物理浸渍法,将聚乙烯亚胺PEI进行氨基修饰,得到以5A沸石为核和以氨基修饰介孔为壳的系列复合材料5A@MS-PEI-x。通过热重(TG)和质谱(MS)联用的分析方法,测试了5A@MS-PEI-x复合材料对模拟烟道气中分离CO2的性能。探究了不同温度、相对湿度、氨基含量对其在水汽共存时CO2吸附性能的影响,结果表明5A@MS-PEI-30复合物在298K、70%相对湿度时CO2最大吸附量为5.05 mmol/g,并具有稳定的循环吸附脱附性。而纯粹的商用5A分子筛在同样的条件下对CO2吸附量仅为0.56 mmol/g。其原因在于氨基化合物高度分散在介孔薄层中,在5A分子筛表面形成紧密修饰层,减缓了水分子向内部分子筛的扩散,保持了5A分子筛固有的CO2高吸附容量,并且氨基化合物也具有优异的CO2吸附性能,进一步提高了水汽存在时CO2的吸附能力。因此该简便的改性方法对商用分子筛吸附剂在有水条件下捕集CO2有很大的参考意义。  (2)化学嫁接法合成5A@MCF-APTES复合材料提高CO2的吸附性能。我们采用相似的方法,在5A沸石表面合成了介孔二氧化硅泡沫薄层5A@MCF,MCF较大三维孔道可以采用化学嫁接法进行氨基修饰,得到5A@MCF-APTES。研究结果表明5A@MCF-APTES复合物在298K、70%相对湿度时CO2吸附量为1.47mmol/g,是原始5A分子筛吸附量的2.5倍,但5A@MCF-APTES与5A@MS-PEI-30相比吸附量较低,其原因在于化学嫁接法的有机氨功能团嫁接效率比较低,长时间高温回流破坏了介孔壳层的完整性,最终导致了疏水效果的降低。  (3)针对氨基材料在通常吸附剂成型温度下易分解的问题,我们探索了低温挤条等成型方法,考察了氨基负载量和温度对吸附性能的影响,结果表明,成型后的PEI氨基修饰材料silica-PEI-40%在潮湿条件下CO2吸附量达到3.17mmol/g,这对粉末状氨基修饰CO2吸附材料的工业化成型和生产提供了解决方案。
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