介孔二氧化硅改性及其吸附CO-,2-研究.pdf

1、全球氣候變化是人類迄今面臨的最重大環(huán)境問題，也是21世紀(jì)人類面臨的最復(fù)雜挑戰(zhàn)之一。化石燃料燃燒排放的大量CO2是造成全球氣候變化的主要原因，對全球變暖的貢獻(xiàn)率已超過了60％。采用新型的多孔固體吸附劑對煙氣中CO2進(jìn)行分離和捕集有可能是一種高選擇性，低能耗的方法，已引起人們的廣泛關(guān)注。然而，目前所開發(fā)的針對該體系的吸附劑均對吸附脫附條件比較敏感，尚有許多不足之處，制約了該吸附法的實(shí)際應(yīng)用。本文正是基于上述背景采用氨基修飾及多種有機(jī)胺浸漬等

2、方法來研制新型吸附劑，對提高該類CO2吸附劑的相關(guān)性能做了有益的探索。主要研究結(jié)論如下： 對焙燒去除模板劑后的樣品進(jìn)行水化能使改性后的SBA-16的吸附容量和吸附速率增加。這是由于焙燒過程中SBA-16的一部分表面硅羥基發(fā)生縮合脫水，失去活性，而水化過程會使得Si-O-Si鍵重新生成硅羥基。SBA-16的顆粒粒徑越小，經(jīng)過表面修飾后的改性SBA-16的平衡吸附容量越大。分子篩的顆粒粒徑越小，氨基活性基團(tuán)更容易進(jìn)入孔道內(nèi)，因此嫁

3、接量也較多。顆粒粒徑在0.124-0.15mm之間的SBA-16(經(jīng)過水化的樣品)經(jīng)過改性后具有最大的吸附容量，約為0.727 mmol/g-1(60℃)，是SBA-16載體吸附量的18.1倍，說明材料經(jīng)過改性后，表面修飾的氨基與CO2產(chǎn)生了一定的化學(xué)作用，從而導(dǎo)致吸附容量大大增加。經(jīng)過氨基改性后的SBA-16的吸附焓可以高達(dá)70kJ mol-1左右，而物理吸附焓僅為40 kJ mol-1左右，這也表明氨基與CO2分子之間存在化學(xué)反應(yīng)。

4、同時，研究發(fā)現(xiàn)改性后樣品的吸附容量與嫁接氨基量幾乎成線性關(guān)系，即Y=0.3855X-0.4397，Y代表吸附容量(mmol/g-1)，而X代表氨基濃度(mmol-N/g-1)。 在傳統(tǒng)的以沸石分子篩作為吸附劑的交溫吸附中，煙氣中水蒸氣的存在與CO2產(chǎn)生競爭吸附，因此需要對煙道氣進(jìn)行除濕，而除濕過程消耗的能量約占總耗能的30％。在變溫吸附中，高溫條件雖有利于脫附，但可能會使介孔分子篩表面嫁接的氨基基團(tuán)分解。同時，高溫和高濕度條件

5、有可能會破壞介孔分子篩的結(jié)構(gòu)。因此，本文首次研究了有機(jī)改性后介孔二氧化硅分子篩SBA-16的水熱穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及硅烷化程度對于改性SBA-16疏水性能的影響。結(jié)果表明，氨基嫁接改性后的SBA-16比載體SBA-16表現(xiàn)出更強(qiáng)的疏水性能，而在煙道氣中水分幾乎是飽和的，所以這有利用于降低吸附劑再生時的能耗。在He或空氣氛圍中經(jīng)過氨基改性的SBA-16的熱穩(wěn)定溫度均能達(dá)到200℃，這有利用于吸附劑的快速再生，經(jīng)多次循環(huán)吸附脫附試驗后吸附

6、劑的性能沒發(fā)生明顯劣化。根據(jù)29Si MAS NMR和N2物理吸附脫附分析結(jié)果，經(jīng)過16 h水熱處理后的改性SBA-16仍然表現(xiàn)出強(qiáng)的水熱穩(wěn)定性，改性后介孔SBA-16的水熱穩(wěn)定性取決于其硅烷化程度的大小。這些性質(zhì)對于介孔吸附材料在高濕高溫條件下吸附分離CO2具有重要意義。 本文也通過浸漬方法在MCM-41原粉上負(fù)載了三種不同有機(jī)胺(DETA、TETA、AMP)制備CO2吸附材料.采用低角度XRD、TGA/DTG、N2物理吸附

7、法、FTIR來表征負(fù)載胺在載體內(nèi)的分散及負(fù)載情況.表征結(jié)果表明各種胺已經(jīng)成功負(fù)載到載體上，并且材料在100℃下再生能夠保持穩(wěn)定。本文中吸附材料的制備過程不僅可以節(jié)約去除模板劑所需要的能量或者萃取溶劑，而且由于其不需要采用甲苯溶劑，所以避免了甲苯對環(huán)境的污染。采用動態(tài)吸附柱法對改性材料的CO2的吸附性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，采用TETA浸漬的吸附材料由于具有最大的N含量，其對CO2具有最大的吸附容量(2.22 mmol/g-1)。采用