不同固體吸附材料吸附CO2的研究進展

摘要：隨著全球工業(yè)化和城市化進展的不斷加劇，二氧化碳（CO2）的排放量急劇增加，已經(jīng)成為全球氣候變化的主要原因之一。為了減少大氣CO2的含量，吸附技術(shù)作為一種有效的CO2捕集與分離方法備受關(guān)注。鑒于此，對不同固體吸附材料吸附CO2的研究進展分析是十分有必要的。首先，對固體材料進行了分析，然后通過實驗的方式對不同的固體吸附材料進行CO2吸附研究。隨后介紹了當前已經(jīng)有的研究成果和最新的研究成果。最后對固體吸附材料吸附CO2的未來發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：固體吸附材料CO2吸附表面功能吸附原理

中圖分類號：TQ424

ResearchProgressonCO2AdsorptionbyDifferentSolidAdsorptionMaterials

SHITaohong

SchoolofEnvironmentandBiotechnology，NantongCollegeofScienceandTechnology，Nantong，JiangsuProvince，226007China

Abstract：Withthecontinuousintensificationofglobalindustrializationandurbanization，theemissionsofcarbondioxide（CO2）havesharplyincreased，becomingoneofthemaincausesofglobalclimatechange.InordertoreducethecontentofatmosphericCO2，AdsorptiontechnologyhasattractedmuchattentionasaneffectivemethodforCO2captureandseparation.Inviewofthis，itisnecessarytoanalyzetheresearchprogressofCO2adsorptionbydifferentsolidadsorptionmaterials.Inthisarticle，firstly，thesolidmaterialsareanalyzed，andthenCO2adsorptionstudiesareconductedondifferentsolidadsorptionmaterialsthroughexperiments.Subsequently，theexistingresearchresultsandthelatestonesareintroduced.Finally，thefuturedevelopmentofsolidadsorptionmaterialsforCO2adsorptionisdiscussed.

KeyWords：Solidadsorptionmaterials;CO2adsorption;Surfacefunction;Adsorptionprinciple

隨著CO2溫室效應(yīng)日趨嚴重，有效的CO2捕集與分離技術(shù)的作用日益凸顯。鑒于此，本文綜合分析了當前不同固體吸附材料在CO2吸附方面的研究進展。討論了不同固體吸附材料的種類和特性，并通過對比分析對不同固體吸附材料對CO2的吸附效果進行了研究。旨在為CO2的捕集和分離提供理論和實踐基礎(chǔ)，為全球碳減排和氣候變化提供新的思路和方法。

1固體吸附材料分析

1.1固體吸附材料的類型及原理

固體吸附材料的類型可分為物理吸附材料和化學(xué)吸附材料，其中物理吸附材料是指吸附劑和吸附物之間主要通過范德華力進行作用的吸附過程。在物理吸附下，吸附劑和吸附分子之間沒有共價鍵的形成，吸附是一個可逆的過程。物理吸附通常發(fā)生在低溫下和較低的吸附壓力下。化學(xué)吸附材料是指吸附劑和吸附物之間形成了化學(xué)鍵的吸附過程。化學(xué)吸附通常比物理吸附更具選擇性，吸附劑對吸附物有更強的親和力[1]。

1.2常見固體吸附材料分析

固體吸附材料有很多，本文選擇了市面上主流的吸附材料進行原理分析，包括活性炭、活性氧化鋁及氨基改性材料。

活性炭是一種常用的固體吸附材料，它獨特的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，使它在氣體吸附、水處理、廢氣凈化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它的吸附原理主要體現(xiàn)在物理吸附、化學(xué)吸附、碘吸附值、表面功能團4個方面。其吸附原理中的碘吸附值與表面功能團是比較特殊的。活性炭的吸附性能通常通過碘吸附值來評價，即單位質(zhì)量的活性炭吸附碘的量。碘吸附值與活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達，活性炭的碘吸附值通常越高，吸附性能也就越好。而活性炭的表面功能團對其吸附性能也有重要影響。不同類型的功能團會與不同種類的污染物產(chǎn)生特定的相互作用，影響吸附效果[2]。

活性氧化鋁是一種由氧化鋁為主要成分的多孔材料，其形式有球形、顆粒狀和顆粒柱狀3種。它常用去除水中重金屬離子、有機污染物、氣體中的氣體污染物等。它的吸附原理主要體現(xiàn)在范德華力吸附、化學(xué)吸附、離子交換、氫鍵作用4個方面，其吸附原理中離子交換與氫鍵作用是比較特殊的。在一些情況下，氧化鋁的表面活性位點可能表現(xiàn)出離子交換的能力。當存在帶電離子的吸附分子與氧化鋁表面接觸時，它們可以通過離子交換作用，將表面活性位點中的離子釋放出來，同時將其自身帶電離子吸附到表面上。而氫鍵作用是指氧化鋁表面的羥基具有氫鍵供體的作用，可以與一些具有氫鍵受體性質(zhì)的分子形成氫鍵作用。它會增強吸附分子在氧化鋁表面的吸附能力，尤其在液態(tài)吸附中具有重要作用。

2固體吸附材料對CO2的吸附實驗

2.1實驗?zāi)康?/p>

實驗的目的是比較活性炭、活性氧化鋁和氨基改性材料的固體吸附性能，包括吸附CO2的量和速度、CO2選擇性能以及再生能力。通過實驗得到的數(shù)據(jù)，可以評估不同材料對CO2的吸附效果，并為尋找更有效的CO2減排材料提供參考和依據(jù)。

2.2實驗材料及準備

實驗材料準備具體敘述如下。（1）活性炭、活性氧化鋁和氨基改性沸石基材料：高純度的活性炭、活性氧化鋁和氨基改性沸石基材料，并將材料制備成均勻顆粒狀的實驗樣品。（2）CO2氣源：裝有高純度的CO2氣體的氣瓶，并且對氣瓶進行檢查，確保閥門正常，并準備好安全操作CO2氣源所需的管道和其他連接裝置。（3）混合氣體：裝有CO2、N2和CH4的氣瓶。（3）實驗裝置和設(shè)備：吸附裝置、量熱計、分析天平3種設(shè)備，并且在實驗之前進行必要的校準。（4）實驗條件控制設(shè)備：恒溫槽和真空泵設(shè)備。本次實驗設(shè)置溫度為常溫20～140℃下進行，壓力在常規(guī)壓力下進行。（5）安全設(shè)備：實驗操作所需的防護眼鏡、實驗室外套、手套等安全設(shè)備。

2.3實驗說明

本次實驗分為吸附實驗、CO2選擇性實驗、再生能力實驗。其中吸附實驗從常溫20℃起進行3種材料的效果進行對比分析，實驗總共有六次，它們分別在常溫20℃、50℃、80℃、100℃、120℃、140℃進行。CO2選擇性實驗進行一次，再生能力實驗進行一次。

2.4實驗步驟

2.4.1吸附實驗

（1）準備吸附裝置，并根據(jù)實驗要求分別放入活性炭、活性氧化鋁和氨基改性材料樣品。

（2）將各樣品暴露于CO2氣源下，開始吸附實驗。

（3）在常溫20℃、50℃、80℃、100℃、120℃、140℃分別進行6次吸附實驗，記錄每次實驗的吸附量和吸附速度。

2.4.2CO2選擇性實驗

（1）準備混合氣體氣瓶，包含CO2、N2和CH4。

（2）將混合氣體通入吸附裝置中，進行CO2選擇性實驗。

（3）記錄各氣體被吸附的量，評估各材料的CO2選擇性能。

2.4.3再生能力實驗

（1）對已吸附CO2的樣品通過真空泵設(shè)備進行再生處理，采用適當?shù)姆椒▽O2從吸附劑中釋放出來。

（2）測量再生后吸附劑的性能參數(shù)，如再生后的吸附效率等。

2.4.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主題主要有5個方面：吸附量分析、吸附速度分析、CO2選擇性分析、再生能力分析、綜合性能評估。其中綜合性能評估是指將吸附量、吸附速度、選擇性能和再生能力等數(shù)據(jù)綜合考慮，評估3種材料在CO2捕獲方面的綜合性能。提出結(jié)論并建議最適合用于CO2減排的材料。

2.5實驗結(jié)論

2.5.1吸附量

在不同溫度下，3種材料對CO2的吸附量存在明顯差異。活性炭在低溫下表現(xiàn)出色，吸附量較高；而隨著溫度升高，其吸附量呈現(xiàn)下降趨勢。相比之下，活性氧化鋁和氨基改性材料在高溫下展示出更好的吸附性能，尤其是在高溫條件下，氨基改性材料表現(xiàn)出色，吸附量明顯超過其他兩種材料。

2.5.2吸附速度

活性炭吸附速度較快，但隨著溫度升高，吸附速度下降明顯；活性氧化鋁和氨基改性材料吸附速度相對穩(wěn)定，且活性氧化鋁在吸附速度上略優(yōu)于氨基改性材料。

2.5.3CO2選擇性

在CO2選擇性方面，活性炭、活性氧化鋁和氨基改性材料均具有一定的CO2選擇性，但以氨基改性材料為最佳，其對CO2的選擇性能力最強。

2.5.4再生能力

活性炭的再生能力較差，再生后的吸附效率明顯下降；活性氧化鋁和氨基改性材料則表現(xiàn)出較好的再生能力，再生后的吸附效率保持較高水平。

2.5.5綜合性能

CO2吸附方面，氨基改性材料表現(xiàn)最佳，具有較高的吸附量、穩(wěn)定的吸附速度、良好的CO2選擇性和優(yōu)秀的再生能力。

3成果研究綜述

在固體吸附材料吸附CO2的研究過程中，每年都會有很多研究者對其研究并發(fā)表相關(guān)研究成果。例如：2021年的研究成果《一種新型TEPA負載或PEI負載Beta/KIT-6復(fù)合材料及其在CO2吸附中的應(yīng)用》，該研究利用非離子三嵌段共聚物普朗尼克作為模板，原硅酸四乙酯為硅源，合成了一種胺改性的CO2捕獲復(fù)合材料[3]；2022年的研究成果《沸石-粉煤灰-礦渣復(fù)合多孔材料的制備及性能：CO2吸附性能和力學(xué)性能》，該研究利用堿性固體廢棄物制備多孔材料以吸附CO2，以解決溫室氣體排放引起的環(huán)境問題[4]；2023年的研究成果《介孔氮化碳負載MgO，可增強CO2捕獲》，該研究采用簡單工藝制備了一系列不同MgO含量的MgO負載介孔氮化碳吸附劑，并測試它們在大氣壓下捕獲CO2的性能[5]。當然，最新文獻研究成果有很多，其中研究成果《K2CO3促進的層狀雙氫氧化物衍生吸附劑的動態(tài)中溫CO2吸附性能》是2024年3月7日由LIRuotong、HUXixuan、HUANGLiang、NicholasMuleiMusyoka、XUETianshanXue、WANGQiang發(fā)表的，具有較大價值，該研究使用了MgAl-LDH、K2CO3/MgAl-LDH和K2CO3/MgAl-LDH（C16）作為吸附劑[6]。

4展望固體吸附材料吸附CO2的未來發(fā)展

固體吸附材料吸附CO2對全球氣候變化、減少大氣CO2排放、CO2的資源碳循環(huán)利用等起著重要的作用。因此，在未來應(yīng)從提高固定吸附材料的CO2吸附性能為主進行研究，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)、研發(fā)多功能復(fù)合材料等，進一步實現(xiàn)更加經(jīng)濟、高效及持續(xù)的CO2捕獲效果。只有持續(xù)不斷地改善和發(fā)展，固定吸附材料才能進一步實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，為人類做出更大的貢獻。

參考文獻

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[2]LIH，QiY，CHENJ，etal.Developmentofamine-pillar[5]arenemodifiedporoussilicaforCO2adsorption，andCO2/CH4，CO2/N2separation[J].SeparationandPurificationTechnology，2024，337：126400.

[3]LIY，WEIJ，GENGLL，etal.ANovelTEPA-LoadorPEI-LoadBeta/KIT-6CompositeandtheirApplicationtoCO2Adsorption[J].Nano，202116（3）：2150033.

[4]LUW，LIJ，QIGS，etal.Preparationandpropertiesofzeolite-flyash-slagcompositeporousmaterials：CO2adsorptionperformanceandmechanicalproperty[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch，2022，30：27303-27314.

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[6]LIR，THUXX，HUANGL，etal.DynamicIntermediate-TemperatureCO2AdsorptionPerformanceofK2CO3-PromotedLayeredDoubleHydroxide-DerivedAdsorbents[J].Molecules，2024，29（6）：1192.