类沸石型咪唑酯骨架材料制备及其CO_(2)吸附性能

由有机配体和金属离子链接的类沸石型咪唑酯骨架(ZIFs)是金属有机框架材料中独特的一个子类,其孔结构可控,且气体储存性能优异。本研究采用溶剂热法制备了ZIF-8、ZIF-9、ZIF-68三种ZIFs材料,并对其进行X射线衍射、N_(2)吸附脱附、热重、红外等测试表征。X射线衍射分析结果显示三种ZIFs材料的衍射峰与其标准卡一致,表明材料的成功制备。N_(2)吸附脱附测试结果表明ZIF-8的比表面积和孔体积最大,分别高达2 284.83 m^(2)/g和3.13 cm^(3)/g;ZIF-8、ZIF-9和ZIF-68最可几孔径分别约为1.00、6.44和0.6 nm。热重测试结果表明,ZIF-8的热稳定性最好。ZIFs材料的CO_(2)吸附性能研究结果表明ZIF-68吸附性能最高,273 K/1 bar及298 K/1 bar条件下,可达74.37和42.62 cc/g,这可能是因为ZIF-68晶体中约0.6 nm孔径更易于CO_(2)气体吸附。研究结果表明,0.6 nm孔径尺寸较易于吸附CO_(2)温室气体,且ZIFs材料是一种较理想的CO_(2)吸附材料。

PEI功能化乙酸锌辅助机械化学法合成的ZIF-8吸附CO_(2)性能研究

为开发高效且适合大规模生产的CO_(2)吸附剂,采用乙酸锌为辅助研磨物,ZnO为金属前驱体,利用机械化学法高效合成高比表面积的ZIF-8材料,考察了机械化学法的合成条件及优势,采用湿浸渍法将聚乙烯亚胺(PEI)负载到ZIF-8材料中,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)和N2吸附-脱附等进行表征,评价其CO_(2)吸附性能。结果表明:机械化学法可在短时间内高效合成ZIF-8材料,其收率高达80.7%。机械化学法显著减少了有机溶剂和有机配体的用量,所合成的ZIF-8具有更小的粒径。PEI的加入显著提高了ZIF-8的CO_(2)吸附性能,其中PEI负载量为60%(质量分数)的吸附剂在50℃的吸附量最高,达到90.21 mg/g,较ZIF-8提高约14倍。此外,该复合材料还表现出良好的稳定性和再生性,在CO_(2)吸附领域具有广阔的应用前景。

煤吸附CO_(2)压缩因子快速计算模型研究

为研究Virial、V-d-W、R-K、S-R-K、P-R、童景山等6种工程常用气体状态方程中适合煤吸附CO_(2)压缩因子最优方程及快速计算模型,以3种不同变质程度煤样为研究对象,采用容量法实测了试验温度为30℃时应用以上6种方程所得煤的CO_(2)吸附量、CO_(2)吸附常数及吸附等温线。研究表明:与美国国家标准技术研究所(NIST)提供的CO_(2)压缩因子相比,采用Virial状态方程得到的CO_(2)压缩因子最大、绝对误差最小,为0.38%;吸附等温线拟合优度最高,CO_(2)吸附常数a值绝对值误差最小,确定出煤吸附CO_(2)压缩因子最优方程为Virial方程;同时,提出试验温度为30℃时,CO_(2)压缩因子一种简便快捷计算模型,经检验,该模型相对美国标准计算所得CO_(2)吸附常数a值绝对值误差最大不超过1%,且操作简便,快速精确。

ZIF-8@GO复合材料的合成及其对CO_(2)吸附性能

化石燃料燃烧排放的CO_(2)造成温室效应日趋严重,开发具有对CO_(2)高吸附性能的吸附剂至关重要.而金属-有机框架材料(MOFs)和氧化石墨烯(GO)作为新型吸附剂,仍存在对CO_(2)吸附性能低的问题.采用溶剂热法制备ZIF-8@GO材料,利用XRD、SEM、BET等表征手段,研究了ZIF-8@GO材料的微观结构及其对CO_(2)吸附性能.研究表明:ZIF-8@GO保持了ZIF-8的晶型结构,GO主要对ZIF-8起到尺寸调控和结构导向作用.气体吸附分离测试表明,ZIF-8@GO材料与ZIF-8材料相同,均是以微孔占据孔隙主导地位的材料;当GO参与复合比例为8%时,ZIF-8@GO(8%)材料的BET和Langmuir比表面积分别为1037.18、1115.90 m^(2)/g,对CO_(2)吸附量为34.347 cm^(3)/g,较母体ZIF-8材料对CO_(2)吸附量提高了32.3%.

基于响应曲面法优化氮掺杂活性炭的制备和CO_(2)吸附性能研究

氮掺杂活性炭制备过程中影响其性能的因素极其复杂,单一因素的定性分析无法满足对制备条件的准确调控,而多因素耦合量化分析可以弥补不足。以煤焦油沥青为原料,采用KOH活化法,与尿素共热解制备氮掺杂活性炭,通过响应曲面法(RSM)进行建模,以量化分析多因素耦合作用对活性炭产率和不同温度下(25℃,50℃和75℃)对CO_(2)吸附性能的影响,同时优化制备工艺参数,并且在此实验设计基础上利用线性拟合方法预测不同温度下CO_(2)吸附量的相关性。结果表明:对活性炭产率的影响由大到小的单因素依次为掺氮比(尿素与煤沥青的质量比)、活化温度、碱碳比(KOH与煤沥青的质量比)、活化时间,活化温度和活化时间的耦合作用影响最显著,碱碳比是影响活性炭CO_(2)吸附量最为关键的因素,但随吸附温度升高其他因素影响显著性增强;不同温度下CO_(2)吸附量可以进行相互预测,且相邻温度下CO_(2)吸附量之间的预测效果更好;得到的最佳制备条件为活化温度650℃、活化时间1.25 h、碱碳比2.5、掺氮比0.3,相应的活性炭产率可达59.316%,在25℃,50℃和75℃下CO_(2)吸附量分别为3.474 mmol/g,2.355 mmol/g,1.358 mmol/g。

地质埋存下CO_(2)在盖层中吸附扩散行为的微观机理研究

为解决温室气体减排领域中二氧化碳(CO_(2))地质埋存的关键问题,采用分子模拟手段(巨正则蒙特卡洛模拟、分子动力学模拟、密度泛函理论),对CO_(2)在SiO_(2)纳米狭缝中的吸附扩散行为进行了理论计算研究。研究表明:在SiO_(2)纳米狭缝中,CO_(2)吸附量随着压力的升高和温度的降低而增强,且亲水性的SiO_(2)纳米狭缝比亲油性SiO_(2)纳米狭缝的CO_(2)吸附量大;随着狭缝宽度的增加,CO_(2)吸附和扩散能力也逐渐增强。此外,根据吸附能、吸附高度和电荷转移量等参数分析了CO_(2)在不同润湿性SiO_(2)表面吸附的微观机理。研究结果为理解不同岩石物性的SiO_(2)狭缝表面与CO_(2)的相互作用机制提供了分子水平上的见解,这对于解释CO_(2)分子在盖层中的吸附机理以及在地层中的长期封存具有重要的理论指导意义。

超微孔废纸碳气凝胶的制备及其CO_(2)吸附性能研究

气候变化的加剧要求更加绿色高效的碳减排技术和产品的开发。固废和生物质衍生的常规CO_(2)碳质吸附剂材料吸附效果较差,需要进行额外的活化改性以提升多孔炭的吸附性能。本工作以废纸为原料,经过简单预处理和溶胶凝胶炭化工艺,得到微孔高度发达的超微孔废纸碳气凝胶,探究了不同种类废纸和制备温度的影响。对材料的理化特性和CO_(2)吸附性能进行了表征和测试,结果表明,废纸碳气凝胶的孔隙结构发达,呈类蜂窝状。打印纸为原料,800℃下制备的废纸碳气凝胶具有大比表面积1369.94 m^(2)/g、高孔容0.59 cm^(3)/g和孔径为0.4-0.8 nm的超微孔。无需改性,0℃时的CO_(2)吸附量为247 mg/g,对应CO_(2)/N_(2)吸附选择性为11,25℃时的动力学吸附量为151 mg/g,七次吸脱附循环的平均波动幅度小于5%,对烟气CO_(2)(10%)的捕获量为42 mg/g。废纸碳气凝胶展现出优异的CO_(2)吸附性能和再生稳定性,优于固废和生物质衍生的常规炭材料。本工作也为固废处置和资源化利用提供了新思路。

稀土金属有机骨架吸附CO_(2)研究进展

近年来,稀土金属有机骨架(Ln-MOFs)因具有捕获CO_(2)的优势而备受关注。Ln-MOFs因自身镧系离子存在特殊的电子排布而具有一些独特的功能,在气体吸附方面有一定潜能。综述了Ln-MOFs材料吸附CO_(2)的研究进展,介绍了配体选择及吸附结果,总结了提高CO_(2)捕获能力的方法,同时分析了Ln-MOFs材料使用中存在的问题,并对Ln-MOFs未来的发展前景进行了展望。

SO_(2)对K2CO_(3)吸附CO_(2)性能影响的实验及DFT机理研究

电站锅炉的尾气在脱硫后含有微量的SO_(2),导致CO_(2)吸附剂性能变差。根据电厂烟气的组分,采用模拟烟气在实验室条件下对K2CO_(3)吸附剂的CO_(2)吸附性能及SO_(2)对CO_(2)吸附的影响进行实验研究。结合XRD分析,利用密度泛函理论(density functional theory,DFT)对SO_(2)在K2CO_(3)吸附剂上的影响及CO_(2)吸附机理进行理论研究。结果表明,受SO_(2)分子S原子活跃的s轨道影响,S的p轨道及O原子活性均增强,与K2CO_(3)表面O原子价带顶能带简并,SO_(2)被优先吸附在K2CO_(3)表面的O顶位,并将CO_(2)推离吸附剂表面,导致吸附剂活性位点虽有空余却无法吸附CO_(2)。在实验中表现为:模拟烟气中CO_(2)体积浓度为10%时,气氛中体积浓度为0.007%的SO_(2)会使吸附剂的吸附量由1.65 mmol/g降低至1.01 mmol/g。提出CO_(2)与H2O在K2CO_(3)(001)表面的吸附机理,理论计算的反应活化能为40.7 kJ/mol,反应热为-54.9 kJ/mol。

载胺糖基炭材料吸附CO_(2)机理研究

以葡萄糖为原料制备了一系列糖基炭材料(CMS),并将四乙烯五胺(TEPA)负载到炭材料上,得到载胺糖基炭材料(CMS-xTEPA)用于吸附燃煤烟气中的CO_(2)。研究了TEPA负载量、吸附温度和孔结构对CMS-xTEPA吸附性能的影响,并揭示其吸附机理。结果表明,CMS的CO_(2)吸附能力主要与其微孔孔径和孔容密切关联,介孔结构丰富、孔容较大的炭材料更适合作载胺载体。CMS-xTEPA的CO_(2)吸附能力相较于CMS大幅提高,CMS-xTEPA中胺基与CO_(2)反应生成氨基甲酸酯和氨基甲酸盐类物质,且适宜的吸附温度和TEPA负载量可以提升CMS-xTEPA的CO_(2)吸附能力。CMS-2-30%TEPA在75℃、15%CO_(2)+85%N_(2)气氛下具有较好的CO_(2)吸附性能和良好的循环CO_(2)吸附性能,在5次吸附循环后,仍具有3.04 mmol/g的吸附容量。

含膦多孔有机聚合物负载氧化镁的制备及其CO_(2)吸附性能

MgO吸附剂因其成本低廉、来源广泛、再生能耗低等优势在CO_(2)吸附领域应用广泛,但比表面积低限制了其吸附性能。以高表面积、多级孔结构的含膦多孔有机聚合物POL-PPH_(3)为载体,采用浸渍煅烧法和超声煅烧法制备得到POL-PPH_(3)负载的MgO吸附剂(MgO/POL-PPH_(3)),用于CO_(2)捕集。探究制备方法、煅烧温度、煅烧时间等制备条件对MgO/POL-PPH_(3)吸附剂上CO_(2)吸附性能的影响。研究发现,浸渍煅烧法优于超声煅烧法,且随着煅烧温度和煅烧时间增加,MgO/POL-PPH_(3)样品上CO_(2)吸附容量逐渐降低。采用浸渍煅烧法,煅烧温度300℃,煅烧时间1 h时,MgO/POL-PPH_(3)-300-1吸附剂上获得最优CO_(2)吸附量,达0.55 mmol/g。在组成为12%CO_(2),其余为氮气的模拟烟道气中,MgO/POL-PPH_(3)-300-1吸附剂上CO_(2)吸附容量达0.02 mmol/g,200℃吸附60 min,370℃脱附15 min条件下,该吸附剂稳定循环使用5次后,CO_(2)吸附容量仍保持不变。结合N 2物理吸附、热重、FT-IR、XRD、SEM-EDX等表征手段,阐明MgO/POL-PPH_(3)吸附剂上吸附CO_(2)的构效关系。动力学模型分析表明采用浸渍煅烧法不同煅烧温度下获得的3种吸附剂上CO_(2)吸附以物理吸附为主,而不同煅烧时间下获得的3种吸附剂包括MgO/POL-PPH_(3)-300-1吸附剂上CO_(2)吸附行为以化学吸附为主。高比表面积及多级孔道结构有利于暴露更多的活性位点及CO_(2)传输与扩散,进而增大MgO/POL-PPH_(3)吸附剂的CO_(2)吸附容量。MgO在载体上高度分散也有利于增强与CO_(2)的接触,以加快CO_(2)吸附速率。

莲杆纤维多孔碳的制备及其CO_(2)吸附性能

由于大气中CO_(2)浓度不断上升,迫切需要高效的CO_(2)吸附剂。以废弃生物质莲杆纤维为原料,通过两步碳化法制备了具有发达孔隙结构的氮掺杂多孔碳样品。合成过程包括莲杆纤维碳化、KOH活化衍生莲杆纤维多孔碳及使用壳聚糖进行改性。通过壳聚糖改性,提高多孔碳表面碱度和氮元素掺杂,增加对CO_(2)的吸附性能。结果表明,掺氮多孔碳比表面积达到1550 m^(2)/g,在20℃和0℃、1bar条件下,吸附量分别高达4.59 mmol/g和6.31 mmol/g,表现出优异的CO_(2)吸附性能,且循环性能优异,该法制备的多孔碳在CO_(2)吸附方面具有广阔前景。

含钛渣制备多孔沸石分子筛吸附剂及其CO_(2)吸附性能

以钒钛磁铁矿高炉冶炼产生的水淬渣为主要原料,经“酸处理-碱熔-水热晶化”制备了多孔沸石分子筛吸附剂(简称吸附剂,下同),采用XRD、SEM、FTIR对吸附剂进行了表征,考察了NaAlO_(2)添加量对吸附剂结构的影响,采用动态吸附法评价了吸附剂的CO_(2)吸附性能,考察了预处理温度、吸附温度和CO_(2)流量对吸附剂的CO_(2)吸附性能的影响,并利用动力学模型进行了数据拟合,分析了其吸附行为。结果表明,随着NaAlO_(2)添加量的增加,水热晶化产物依次完成了“无定形→初步结晶→FAU型→LTA型”沸石分子筛的结构转变;制备的吸附剂(Z-4)经350℃预处理,在吸附温度25℃、CO_(2)流量分别为1.4 mL/min(固定床反应装置)和50 mL/min(同步热分析仪)的条件下,CO_(2)吸附效果最佳,其CO_(2)穿透与饱和吸附量为2.16、3.39 mmol/g;其CO_(2)吸附行为符合拟二级动力学模型,吸附过程由物理和化学吸附共同主导,拟二级动力学模型吸附速率常数为0.0785mmol/(g·s);经5次循环吸附/再生后,其CO_(2)饱和吸附量保持率为96.8%。

用于高效稳定吸附CO_(2)的胺基功能化MOF-808开发及机理

胺基功能化金属有机骨架具有孔隙率高、CO_(2)吸附容量大、抗水性好的优点,被认为是适用于燃煤烟气CO_(2)捕集的吸附材料,但其表面胺基分子在高温脱附过程易发生团聚,导致吸附速率和吸附容量下降。采用物理浸渍将四乙烯五胺分子(TEPA)封装入MOF-808的孔道内,开发了一种胺基分子高度分散的胺基功能化吸附材料TEPA@MOF-808。TEPA@MOF-808的吸附容量相比MOF-808提高了2.15倍,吸附速率常数、吸附选择性分别提高了13%和498%,10次吸脱附循环后吸附容量仅下降10.9%,说明基于TEPA的胺基功能化策略可显著提高CO_(2)吸附性能和稳定性。热力学结果显示TEPA@MOF-808的等量吸附热仅为40 kJ/mol,小于普遍认为的化学吸附门槛,^(13)C固体核磁和原位红外表征结果进一步揭示了其以物理吸附为主的吸附机理。

金属有机骨架材料吸附CO_(2)的研究进展

由温室效应引起全球气候变暖的环境问题受到越来越多的关注,CO_(2)是对温室效应影响最大的气体。我国提出了“碳中和,碳达峰”的目标,实现目标的前提是提高对CO_(2)的减排与控制,在实现“双碳”目标过程中碳的捕集至关重要。金属有机骨架材料作为一种新型的吸附材料,可以进一步提高CO_(2)的捕集。本文阐述金属有机骨架材料的分类、合成方法以及改性方法的优缺点,探讨该材料吸附CO_(2)的机制,并对比在单组分和多组分条件下的吸附效果,提出使用醋酸盐或者氯化氢辅助加热优化传统水热法,以及使用不同氨基种类和氨基负载优化改性方法是未来重要的研究方向,最后展望了金属有机骨架材料吸附剂的前景,为进一步开展金属有机骨架材料吸附CO_(2)的研究提供参考。

TEPA改性膨胀蛭石复合材料的制备及其CO_(2)吸附性能研究

工业化进程中排放的二氧化碳加剧了温室效应,对全球气候环境产生了严重影响。目前,液胺吸收CO_(2)是最成熟的碳捕获技术,其具备高吸收容量、快吸收速率和简单再生过程等优点。然而,该技术仍存在着许多缺陷,如设备腐蚀、再生能耗高、环境污染等。针对上述问题,提出一种将四亚乙基五胺(TEPA)负载到膨胀蛭石夹层中制备新型载胺复合材料(EV-TEPA)以吸附CO_(2)的方法,并重点探讨了不同TEPA负载量和温度对CO_(2)吸附性能的影响。结果表明,高温煅烧后的膨胀蛭石(EV)具备优越的分层孔隙结构,其对胺的负载量远大于蛭石原矿(RV)。EV-TEPA吸附剂在75℃时吸附容量最高,为1.24 mmol/g,并且在经历8个循环后吸附容量仅衰减8.87%,表现出良好的循环稳定性。此研究探索了一种经济高效捕获CO_(2)的新型复合材料,为工业应用中CO_(2)吸附剂选择提供了一个参考方案。

基于密度泛函理论的CO_(2)吸附微观机理比较研究

为探究吸附法捕获CO_(2)过程中的微观机理和吸附剂材料间的作用关系,基于密度泛函理论方法,综合比较了典型吸附剂包括煤基官能团、Fe、限域离子液体、Na2 CO3、SrTiO3与CO_(2)的吸附过程和差异性.根据不同计算策略,着重分析比较了吸附能、结构优化参数、吸附构型以及原子分布等参数.结果表明,化学吸附中CO_(2)分子与吸附面呈平行关系时通常吸附能最大;在一种材料的同类型官能团中,吸附能大小与氧原子的数量呈正相关关系;吸附过程中C-O键的伸长活化会生成一种重要的中间产物CO_(2)-.提出在探寻CO_(2)吸附材料时可以在含氧原子较多的官能团、活性金属表面等方面进一步探究.最后对基于密度泛函理论的CO_(2)的吸附机理的进一步研究方向进行了展望.

胺基负载PLLA多孔微球的制备及其作为环境友好型CO_(2)吸附剂研究

CO_(2)吸附与环境友好型材料相结合使用,为减缓气候变化和可持续发展提供了一条清洁的途径。作为一种生物降解材料,聚左旋乳酸(PLLA)正在逐渐取代传统石油基塑料,为CO_(2)吸附领域提供了清洁材料。以PLLA为原料,采用乳液模板法,制备出孔径可调、粒径均匀的可降解多孔微球PLLA。再通过浸渍法负载聚乙烯亚胺(PEI),得到了可用于CO_(2)吸附的环境友好型吸附剂PEI@PLLA。结果表明:PLLA多孔微球球形度好,粒径集中在20~80μm。内部孔呈现为互连互通的大孔结构,孔径介于2~10μm之间。负载PEI后,微球的微观结构没有被破坏。研究了PEI@PLLA的CO_(2)吸附性能,吸附量最高可达1.2mmol/g,并具有较高的选择吸附能力。

碱金属修饰的萘炔/萘二炔对CO_(2)选择性吸附分离的理论计算

采用巨正则蒙特卡洛模拟和密度泛函理论结合的方式探究了不同碱金属(alkali metal,AM,包括Li、Na、K)修饰提升萘炔(naphyne,NY)和萘二炔(naphdiyne,NDY)的CO_(2)吸附分离性能。通过结合能和结构的电子性质分析发现,AM修饰的NY和NDY具有良好的结构稳定性。在298 K、100 k Pa的条件下,Li修饰的萘二炔(Li-NDY)表现出高达11.37 mmol·g^(-1)的CO_(2)吸附量和430.85的CO_(2)选择性(优于N_(2))。同时,利用气体吸附密度分布揭示了不同AM修饰的NY/NDY(AM-NY、AM-NDY)具有高吸附量的原因,以及二者作用效果差异的本质。最后,从吸附热、库仑和范德瓦耳斯相互作用等角度详细说明了AM引入的改性机制。

金属有机骨架/碳气凝胶复合吸附剂对模拟烟气中CO_(2)的吸附性能

金属有机骨架是重要的CO_(2)吸附材料。为提升吸附剂的CO_(2)吸附性能,改善吸附剂的耐水稳定性,将金属有机骨架与碳气凝胶复合形成复合吸附剂,用于模拟烟气中CO_(2)的分离研究。以海藻酸钠/κ型卡拉胶/壳聚糖混合物为前驱体,通过湿法纺丝技术制备了碳气凝胶;在碳气凝胶表面,以天冬氨酸为有机配体,铜为金属中心,通过共沉淀方式制备了复合吸附剂(AspCu-CCA)。通过傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜等方法对吸附剂进行了表征,通过循环固定床吸附法考察了复合吸附剂对模拟烟气中CO_(2)的吸附性能。结果表明,AspCu-CCA具有良好的CO_(2)吸附性能和耐水稳定性。在298K、0.1MPa下,AspCu-CCA对纯CO_(2)的饱和吸附量为323mg/g,拟一级动力学速率常数为0.083min^(-1),对体积分数为15%的CO_(2)的饱和吸附量为274 mg/g。烟气中水汽的存在有利于AspCu-CCACO_(2)吸附量的提升,而SO_(2)的存在则会导致AspCu-CCACO_(2)吸附量略有降低。复合吸附剂在20次循环吸附中保持了稳定的CO_(2)吸附量,因此具有良好的烟气CO_(2)分离应用潜力。