富氮多孔炭的制備及其吸附CO2的研究.pdf

1、據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年一月大氣中CO2的濃度已經(jīng)達(dá)到400ppm，較20世紀(jì)初要高出120ppm，這引起了世界范圍內(nèi)的廣泛重視，因?yàn)镃O2是公認(rèn)的溫室氣體，其排放對全球變暖具有不可推卸的責(zé)任。為了減緩CO2的排放，對CO2進(jìn)行高效捕集和封存，被認(rèn)為是最為有效、可行的方法之一。在眾多產(chǎn)生CO2的主要工業(yè)生產(chǎn)部門中，火力發(fā)電廠是CO2的集中排放源，其排放量約占總排放量的三分之一，因此針對火電廠煙氣的減排技術(shù)顯得尤為重要。在火電廠煙氣中，CO2的

2、含量大約在10％左右，剩下的大部分氣體為N2，水蒸氣及少量的其他組分，煙氣壓力在1 bar左右。在此低分壓的條件下有效的將CO2從混合氣體中分離捕集出來是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。目前工業(yè)化的捕集火電廠煙氣中CO2的方法為液胺吸收法，然而這種技術(shù)具有一系列的缺點(diǎn)，如吸收劑再生時(shí)能耗大，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，吸收劑的流失及毒性等。為了克服這些缺點(diǎn)，固體材料吸附法被認(rèn)為是最有前景的捕集CO2的方法。總體上說固體材料吸附法具有設(shè)備投資成本低且操作簡單，能耗低，

3、吸附劑再生容易，無設(shè)備腐蝕問題等優(yōu)點(diǎn)。而得到具有優(yōu)異吸附性能的吸附劑則是此方法成功與否的關(guān)鍵。本文開展了高效捕集CO2的富氮多孔炭的制備和吸附性能的研究。研究結(jié)果如下:
　　1.以石油焦為碳源，通過尿素氮化-KOH活化的方法制備富氮多孔炭材料。通過改變制備條件得到一系列具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的氮摻雜多孔炭材料。采用多種表征技術(shù)對得到的吸附劑進(jìn)行詳細(xì)表征，如:元素分析，傅利葉紅外光譜(FTIR)，透射電鏡(TEM)，掃描電鏡(SEM)，X

4、光電子能譜(XPS)，X射線衍射(XRD)，氮?dú)馕降?。同時(shí)也分別考察了所得到的富氮吸附劑在常壓，25℃和0℃的條件下對CO2的吸附性能。研究發(fā)現(xiàn)，這一系列材料顯示出很高的CO2吸附能力，在25℃和0℃的條件下，其吸附量分別為3.69-4.40mmol/g和5.69-6.75mmol/g。其中當(dāng)活化溫度為650℃，KOH與制備前驅(qū)體的質(zhì)量比例為2∶1時(shí)制備的樣品(UC-650-2)，在25℃和一個(gè)大氣壓下具有這一系列樣品中最高的CO2吸

5、附量:4.40mmol/g，是已經(jīng)報(bào)道的富氮多孔炭材料得到的吸附性能最好的樣品之一。如此優(yōu)異的吸附能力是由于該樣品具有高微孔孔隙結(jié)構(gòu)和高氮摻雜量。同時(shí)該樣品在25℃下，具有的CO2/N2選擇性為17，也高于一些已經(jīng)報(bào)道的碳材料。由于此類吸附劑具有制備簡單，成本低，高CO2吸附量和選擇性，可重復(fù)使用性等優(yōu)點(diǎn)，表明富氮多孔炭在CO2捕集方面具有很好的應(yīng)用前景。
　　2.以生物質(zhì)材料-椰殼為碳源，采用上述同樣的方法制備富氮多孔炭材料。對

6、得到的吸附劑進(jìn)行表征和CO2吸附能力的測試。結(jié)果表明，基于椰殼的最優(yōu)化的富氮多孔炭在常壓和25℃下具有的CO2吸附量為4.78mmol/g，相應(yīng)的CO2/N2選擇性為19，這兩項(xiàng)指標(biāo)均高于之前石油焦基富氮多孔炭材料。通過吸附劑吸附性能測試結(jié)果結(jié)合吸附劑的結(jié)構(gòu)表征分析，發(fā)現(xiàn)CO2吸附能力是由吸附劑的微孔孔隙和氮含量共同決定的。
　　3.為了進(jìn)一步增加多孔炭的氮摻雜量和微孔孔隙，使用硝酸預(yù)處理石油焦前驅(qū)體，再通過尿素氮化-KOH活化的

7、方法制備富氮多孔炭材料。與前述的石油焦基富氮多孔炭相比，得到的樣品具有更高的氮含量和更發(fā)達(dá)的微孔孔隙結(jié)構(gòu)，但較低的CO2吸附能力。此研究結(jié)果表明除了氮含量和微孔孔隙這兩個(gè)因素，還有其他的因素對吸附劑的CO2的吸附量起著重要的作用。通過對樣品進(jìn)行詳細(xì)的表征分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然經(jīng)過酸化預(yù)處理原料得到的多孔炭具有更高的總體氮含量，但其中對CO2具有最佳吸附能力的吡咯氮的含量卻相對較少，因而造成較低的CO2吸附量。但此系列最優(yōu)化樣品的CO2吸附能