工藝條件對吸附劑動態二氧化碳吸附性能的影響

摘 要：工藝條件對吸附動態CO2會有一定的影響，特別是吸附性能方面，也產生很大的變化。固態氨屬于一種吸附劑，可以吸附CO2，并對其進行搜集與分離。氨基種類，載體空結構，氨基負載技術，吸附劑的吸附與熱力學動力及再生行為都是現階段固態胺吸附劑領域的研究重點，并從工藝的角度出發，結合煙道中的溫度、水分，煙道中的雜質等方面探討工藝流程對吸附能力的影響。

關鍵詞：吸附能力;二氧化碳;熱力學方向

在實際的應用中，依據單位質量吸附劑的CO2吸附量運算出吸附中胺基的利用率，它會隨著PEG含量的增加而逐漸升高。從特點看，可能是由于PEG的加入，能使PEI的分散效果更好，為了能夠為二氧化碳提供更多的擴散渠道，提高胺基的利用率，從而達到了提升吸附量的作用，PEG的可能作用機理在逐漸上升。此外，PEG作為一種柔性基質，能夠緩沖二氧化碳吸附過程中，PEI的長期循環的宏觀分離會因吸附劑體積變化而受限，且太高吸附劑的循環穩定性。所以在全方位考慮吸附劑的體積變化，限制PEI在長期循環中分離，以此提升吸附劑的循環穩定性。從吸附特點看，不同的工藝會對吸附的性能都會產生一定的影響。經過多年的經驗看，在改善吸附劑的吸附和循環穩定性能之后，擔載50wt%的PEI（10000）和20wt%。的PEG（6000）的吸附劑MCS-50-20被填裝到固定床體系，系統考察其對模擬煙道氣CO2吸附性能。工藝條件中涉及到水分、溫度和相關雜志，本文結合實際工作情況，探討上述條件對吸附性能的影響。

1 氣體流速、吸附溫度和CO2濃度對CO2吸附性能的影響

氣體流速、吸附溫度和CO2濃度都是固定床CO2吸附過程中的關鍵性操作條件，外部的一些條件產生變化，其整體的吸附性能也會產生一定的變化。研究這類因素對CO2吸附性能的影響具有較大的現實意義。具體見圖1。MCS-50-20在75℃對15%CO2的吸附穿透曲線和對應的吸附量。吸附劑的穿透時間和吸附量會隨著設備進口氣體流速增加而增加。停留時間是氣體流速對CO2吸附性能產生影響的重要因素，隨著氣體流速加大，CO2在吸附區的停留時間越來越短，無法完全散入至吸附劑之中，進而使活性吸附位的利用不夠徹底。在持續的反應中，吸附劑外層的活性位會慢慢被CO2占據，CO2愈發難以擴散至吸附劑中。因此，在氣流速度從每分鐘50mL提升至每分鐘200mL時，MCS-50-20的CO2吸附量從163.4降到120mg/g。

在應用過程中，吸附溫度對CO2吸附性能的影響，見下圖2。可以發現，MCS-50-20對速度為每分鐘50mL的15%

CO2：的吸附量在75℃達到最大，吸附量為163.4mg/g。其影響結果表明，CO2在MCS-50-20上的吸附過程是受動力學擴散控制的。因為胺基與CO2之間的反應屬于放熱反應類型，低溫雖然可以促進CO2的熱力學吸附，然而CO2的擴散速度較慢;在溫度不斷上升的過程中，CO2更容易從吸附劑表面擴散至其孔道結構中，從而提升胺基的利用率，進而使CO2的吸附量大幅增加;隨著吸附溫度持續上升，被吸附的CO2極易脫附出來，在溫度升至90度時，吸附量會開始降低。然而，這會為吸附劑在低溫度下的再生創造良好條件。

在具體的應用中，不相同情況下的氣體混合物中CO2的濃度并非一層不變的，那么，吸附劑就需要在較大的CO2濃度區間內都具備較強的吸附性能。CO2濃度對吸附劑CO2吸附性能的影響，具體見圖3。不難發現，MCS-50-

20在75度，速度為每分鐘50mL的吸附條件下，對5%的二氧化碳的吸附量為112.4mg/g，在CO2濃度上升至50%時，MCS-50-20的吸附量提升至199.1mg/g。從上述的研究結果可以看到，MCS-50-20在較大CO2濃度區間內，可以顯現出極佳的吸附性能，吸附性非常好。通過考察氣體流速、吸附溫度和CO2濃度對CO2吸附性能的影響，使我們對吸附過程中的質量傳遞有了更為深入的了解。在吸附性能方面的優化可以起到非常好的作用，且整體的吸附性能也能夠更符合要求。

2 水分和氧氣對CO2吸附性能的影響

在工藝中，CO2吸附性能還會受到水分和氧氣的影響。在煙道氣等工業氣體中無法避免的存在水分，那么研究水分對CO2吸附性能的影響十分必要，所以，在相對濕度為0到60%的環境下測試了MCS-50-20的動態CO2吸附行為，如圖4所示。MCS-50-20的CO2吸附量隨著濕度上行而慢慢提升，在達到60%時，MCS-50-20對CO2的吸附量從163.4提高至187.5mg/g，增幅達到17.4%。這說明水分在一定程度上促進了CO2的吸附，可使CO2與胺基的反應機理發生變化，從2摩爾胺基與1摩爾CO2反應生成氨基甲酸酷，轉變為1摩爾胺基與1摩爾CO2反應生成碳酸氫鹽，與以往的研究結果存在一致性。另外，需要注意的是吸附劑在60%RH（相對濕度）條件下的循環性能從無水條件下的97%提高至98.6%這可能是因為水分的存在能夠阻止脈素鍵的形成，而脈素鍵是胺基與CO2反應的單向副產物。與物理吸附劑比如活性炭等相比，固態胺吸附劑的耐水性更佳，所以，無需在吸附之前對煙道氣的濕度加以嚴格把控，需要對其進行全面分析研究后，才能確定出，最終確定對吸附性能的影響。

煙道氣中還有一個重要組成氣體就是氧氣，它對CO2吸附的影響在無水與有水條件下展開測試。將MCS-50-20在含氧氣體（二氧化碳、氧氣和氮氣分別為15%、5%和80%）中展開CO2吸附實驗，再生后的吸附劑對CO2吸附量降低至154.4mg/g，CO2吸附量隨著吸附劑循環次數的增加而不斷下降，具體見下圖5。這可能是因為吸附和再生過程中PEI的氧化降解引起的。吸附時，一些氧氣會占據胺基活性位，從而減少了有效的CO2活性位;再生時，再生溫度達到110度會使PEI和O2的反應加快。正是由于這兩種原因使吸附量慢慢降低。但是，在60%RH條件下，MCS-50-20在含5%O2環境中的循環穩定性大幅提升。水分能夠有效避免胺基受到O2的攻擊，使PEI的氧化變慢。PEI阻礙了球形中孔炭基固態胺吸附劑的氧化過程與文獻中研究的硅基固態胺吸附劑的行為相似。

3 SO2，NO和NO2對二氧化碳吸附性能的影響

煙道氣中存在一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫等氣體雜質，這些氣體也會和PEI反應，使吸附劑的CO2吸附性能下降。為了對這些雜質氣體對CO2吸附性能造成的影響進行研究，將MCS-50-20置于無水和有水兩種環境下，對CO2吸附量和循環穩定性能進行實驗考察。具體見下圖6。19a是MCS-50-20在無水條件下對含100ppm SO2/NO/NO2的15%二氧化碳氣體的十次吸/脫附循環吸附量。通過觀察下圖可知，MCS-50-20的第一次吸附量不存在明顯的下降，但后面隨著循環次數增加慢慢呈現出下降態勢，且對含有二氧化硫氣體的吸附量下降幅度最大，然后依次是二氧化氮和一氧化氮。究其原因，主要是由于固態胺吸附劑更容易吸附酸性氣體，尤其是SO2、NO2、NO和NO2吸附在吸附劑上，并且很難在再生環節脫附出來，從而導致吸附劑活性位出現不可逆減少的情況，從而導致二氧化碳吸附量逐漸降低。

如果在60%RH條件下，SO2，NO和NO2會對吸附劑的CO2吸附性能造成更明顯的影響，如圖6所示。MCS-SO-20對含100ppm SO2/NO/NO2的15%CO2氣體的十次吸/脫附循環吸附量分別降低至第一次吸附量的73.8%，78.6%和85.5%，這與在無水條件下的結果一致。水能促進一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫氣體的溶解，使之更多的吸附在吸附劑上。所以，在展開CO2吸附之前，非常有必要先對煙道氣中的上述三種氣體加以消除。需要注意的是，煙道氣中的一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫氣體的濃度在經過脫硫和還原后，濃度大約在2-20ppm，會使吸附劑的使用壽命大幅延長。

4 結束語

工藝條件不一樣會影響二氧化碳的吸附能力。在本文中，分別闡述了氣體流速、吸附溫度、水分和氧氣、煙道中SO2，NO和NO2等雜質對工藝條件的影響，并對整體的吸附性能進行了分析，需要注意上述工藝條件，才能從根本上優化吸附條件，才能使吸附條件達到最優。

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