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穿透曲線分析吸附劑直接空氣捕集CO2的性能

美國麥克儀器 2022-09-29 | 閱讀：3362

介紹

CO2比空氣中的其他主要成分,，N2（78%）、O2（20.9%）和Ar（0.9%）能更有效地吸收熱量,，過度的人為CO2排放使得全球氣候變暖,。CO2濃度已從20世紀(jì)初的280 ppm上升到今天的400 ppm+，并以每年幾個ppm的速度繼續(xù)升高,。日益增加的CO2濃度已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)拉響了警報,，各國已經(jīng)開始為CO2對下個世紀(jì)產(chǎn)生的影響感到擔(dān)憂。

2019年,，5.58億公噸CO2（當(dāng)量）的溫室氣體最大的三個排放源中分別是運(yùn)輸業(yè)（29%）,、發(fā)電業(yè)（25%）和制造業(yè)（23%）。交通運(yùn)輸業(yè)是溫室氣體排放的最大貢獻(xiàn)者,，但很難直接捕獲這一類CO2的排放,。另一方面，直接空氣捕集CO2（DAC）是一種新興發(fā)展的技術(shù),，能夠在任何地方直接從空氣中捕集CO2,。基于此背景,，人們正在大力研究新的吸附材料用以直接從空氣中捕集CO2來降低其濃度,。

本應(yīng)用筆記采用 Micromeritics 穿透曲線分析儀BTA 研究了硅鋁（SiAl）和沸石13X兩種材料分別在潮濕（40%相對濕度）和干燥條件下直接空氣捕集CO2的性能。此外,，通過在硅鋁（SiAl）和沸石13X的結(jié)構(gòu)中加入聚乙烯亞胺（PEI）和四乙烯基五胺（TEPA）來研究它們的負(fù)載對硅鋁（SiAl）和沸石13X CO2吸附性能的影響,。

實驗過程

樣品制備： 硅鋁（SiAl_Plain）是Micromeritics的標(biāo)準(zhǔn)樣品，沸石13X_Plain是從Zeochem獲得的樣品,。將這兩種材料(各約1.0g）加入分別到溶解了4ml PEI或者TEPA的20ml乙醇中,，充分混合后在50°C下干燥12h得到了SiAl_PEI ，13X_PEI,，SiAl_TEPA 和13X_TEPA四個樣品,。

比表面積測試：考慮都PEI或TEPA的熱分解溫度較低,，實驗采用80°C低溫和真空條件下對樣品進(jìn)行脫氣處理12h后使用Micromeritics 物理吸附儀進(jìn)行N2吸附比表面積測試。

直接空氣捕集CO2穿透實驗：采用Micromeritics穿透曲線分析儀BTA在惰性N2氛圍和80°C溫度下對樣品進(jìn)行原位脫氣預(yù)處理12h后進(jìn)行穿透實驗,。干燥氣體條件下的實驗過程是在將10sccm含有800 ppm CO2的N2和10sccm純的N2在線混合模擬空氣中400ppm CO2的氣體組份中進(jìn)行CO2穿透實驗,。因此，本實驗也稱為直接空氣捕集CO2穿透實驗,。潮濕氣體條件下的實驗過程是先通入8sccm含有水蒸汽的N2和12sccm純的N2,，等樣品吸附水蒸汽飽和后再通入10sccm含有800 ppm CO2的N2和8sccm含有水蒸汽的N2以及1sccm純的N2，分析樣品在40%相對濕度的潮濕條件下的CO2穿透實驗,。采用這種方法是盡最大可能去模擬實際工業(yè)應(yīng)用中CO2吸附劑往往在使用前其本身就吸附了大量水的現(xiàn)象,。這里要強(qiáng)調(diào)地是在每一個穿透實驗中在氣體組份里額外增加了1 sccm He用作標(biāo)定氣體來校準(zhǔn)穿透系統(tǒng)中的死體積。

實驗結(jié)果

N2吸附比表面積分析

首先對樣品進(jìn)行N2吸附來分析其比表面積,。實驗中對6種樣品做了分析,，N2吸附等溫線如圖1所示。從圖中等溫線可以看出,，SiAl是典型的介孔材料而沸石13X是典型的微孔材料,。這兩種材料都因PEI和TEPA的負(fù)載填充了部分的孔隙空間而導(dǎo)致N2吸附量下降，比表面減小,。表1中總結(jié)了這6種材料具體的比表面積數(shù)值,。值得注意的是，SiAl和沸石13X的脫氣溫度通常為400°C,，而PEI和TEPA在400°C會發(fā)生分解,。因此，為保證實驗的統(tǒng)一,，本實驗采用相同的80°C低溫條件下進(jìn)行脫氣,，而這會出現(xiàn)表1中SiAl_Plain比表面積206m2/g低于標(biāo)準(zhǔn)值208–220 m2/g的現(xiàn)象。

直接空氣捕集CO2 的穿透結(jié)果分析

同樣地,，在潮濕和干燥條件下,，對這6種材料進(jìn)行CO2穿透實驗。實驗中因CO2濃度較低（400 ppm）導(dǎo)致穿透時間較長以及CO2的絕對吸附量較低,。我們可以看到在干燥條件下實驗過程中混氣閥打開后20min左右或者潮濕條件下樣品吸附水飽和后20min左右He作為標(biāo)定氣體快速地完成穿透,。這里在CO2穿透實驗之前，先通入水蒸汽讓樣品吸附飽和是為了更好地評估CO2與水之間的競爭吸附行為,。本文的結(jié)論部分中表2總結(jié)了這6種材料在不同實驗條件下的CO2吸附量,。

在潮濕和干燥條件下，SiAl_Plain的CO2穿透曲線如圖2所示,。左圖中說明CO2的穿透曲線比He標(biāo)定氣體坡度小,，一是因為CO2濃度非常低，二是因為硅鋁（SiAl）顆粒較大導(dǎo)致的一些傳質(zhì)限制,。對比干燥（左）和潮濕（右）兩組結(jié)果,，我們可以觀察到水的存在導(dǎo)致SiAl_Plain的CO2吸附量顯著下降,，這說明CO2和水之間存在競爭吸附。

從圖3可以看到,，與SiAl_Plain相比，在干燥條件下（左）,，SiAl_PEI的CO2吸附量增加了3.5倍,。同樣地，在潮濕條件下(右),，由于水的競爭吸附導(dǎo)致SiAl_PEI的CO2吸附量顯著下降,，但仍比SiAl_Plain能吸附更多的CO2，從0.028 mmol/g增加到了0.058mmol/g,。

圖4反應(yīng)出SiAl_TEPA在干燥條件下的CO2吸附量比SiAl_Plain多,，但比SiAl_PEI少。有意思地是,，在濕度條件下,，SiAl_TEPA的CO2吸附量比SiAl_Plain和SiAl_PEI都高。甚至高于SiAl_TEPA在干燥條件下的CO2吸附量,，從0.072mmol/g顯著增加到了0.196mmol/g,。這主要是因為TEPA是一種二元胺，在CO2和水的吸附之間產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng),，從而提高CO2的整體吸附量,。

接下來分析沸石13X在干燥和潮濕條件下的CO2吸附量。圖5顯示在干燥條件下,，微孔材料沸石13X_Plain的CO2吸附量明顯高于介孔材料硅鋁（SiAl）,。但當(dāng)暴露在潮濕環(huán)境中時，因沸石13X_Plain吸水性太強(qiáng),，會一直優(yōu)先吸附混合氣體中的水而不吸附CO2,，從表2中可以看到CO2吸附量幾乎為0。

從圖6（左）,，圖7（左）,，我們可以觀察到，在干燥條件下,，13X_PEI 和13X_TEPA的CO2吸附量低于13X_Plain,。這很可能是由于PEI和TEPA尺寸比沸石13X的孔徑小，填充了大部分沸石13X的孔隙而降低了CO2的吸附,。這和表1中13X_PEI 和13X_TEPA的比表面積遠(yuǎn)小于13X_Plain相吻合,。但另外一方面，因PEI的加入增強(qiáng)了潮濕條件下（圖6（右））的CO2吸附能力,， 13X_PEI的CO2吸附量為0.192mmol/g, 比干燥條件下提高了98%,。這一現(xiàn)象也同樣發(fā)生在13X_TEPA樣品上,，如圖7（右）所示。

結(jié)論

本實驗采用Micromeritics穿透曲線分析儀BTA分析了SiAl和沸石13X在干燥和潮濕條件下的直接空氣捕集CO2的性能,。在干燥條件下,，SiAl和13X沸石均能在400ppm的濃度下有效吸附CO2；但在潮濕條件下,，由于CO2和水之間的競爭吸附,，它們的CO2吸附能力顯著下降。隨后,，在SiAl和13X結(jié)構(gòu)中加入PEI和TEPA,，研究它們對直接空氣捕集CO2性能的影響。從表2 的CO2吸附量,，我們可以看到在干燥條件下,，PEI和TEPA的負(fù)載增強(qiáng)了SiAl的同時降低了沸石13X的直接空氣捕集CO2能力。而在潮濕條件下,，PEI和TEPA的負(fù)載均增強(qiáng)了SiAl和沸石13X的直接空氣捕集CO2能力,。本應(yīng)用筆記為使用Micromeritics穿透曲線分析儀BTA推動直接空氣捕集技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。