氨基功能化多孔材料的制备及其CO2吸附性能研究

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全球变暖已成为当今人类面临的重大环境问题之一。化石燃料燃烧产生的CO2是造成全球变暖的主要原因,对全球变暖的贡献率高达60%以上。在化石能源中,煤炭占据主导地位,而我国70%以上的电力是由燃煤电厂生产。因此,对燃煤电厂烟道气中CO2的捕集和分离至关重要。固态胺吸附剂以其高吸附性能、高选择性、腐蚀性弱、再生能耗低等优势,引起了越来越多研究者的关注,也取得了很大的进展。然而,对于CO2在吸附剂孔道内的扩散问题以及进一步提高吸附性能的研究,仍存在许多不足。因此,为解决上述问题,本文开发出一系列高性能的固态胺吸附剂。主要研究结论如下:1、以HZSM-5与MCM-41为原料,采用物理混合法制备出复合载体,然后采用浸渍法将四乙烯五胺(TEPA)负载到复合载体上,合成新型的具有多级微/介孔结构的固态胺吸附材料。当HZSM-5与MCM-41的质量比为1:1,TEPA的最佳负载量为30 wt.%,吸附温度为55°C,进气流量为30 m L?min-1时,饱和吸附量最高为3.57 mmol?g-1。CO2浓度为12%15%时,HZSM-5/MCM-41-30%TEPA的饱和吸附量均达2 mmol?g-1以上。经10次吸脱附循环实验后,HZSM-5/MCM-41-30%TEPA的饱和吸附量下降8.1 wt.%。2、对TEPA改性HZSM-5/MCM-41的CO2吸附动力学和热力学进行了研究。HZSM-5/MCM-41-30%TEPA对CO2的吸附过程分为穿透吸附阶段和逐渐饱和阶段,其中HZSM-5/MCM-41-30%TEPA的穿透吸附量接近于饱和吸附量的80%。Avrami模型能很好地拟合HZSM-5/MCM-41-30%TEPA对CO2的整个吸附过程。由Clausius-Clapeyron方程计算得出的等量吸附热为20 k J?mol-140 k J?mol-1,介于物理吸附热值和化学吸附热值之间,表明HZSM-5/MCM-41-30%TEPA对CO2的吸附是物理吸附和化学吸附的结果。3、以商业介孔硅胶(SG)为载体,采用浸渍法制备了2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)和TEPA混合胺改性SG吸附剂,并考察了其对CO2的吸附行为。AMP、TEPA和SG发生氢键等相互作用,促进了TEPA的分散,降低了CO2的扩散阻力,并改善了吸附剂的热稳定性和吸附动力学。当TEPA负载量为20 wt.%,AMP负载量为20 wt.%,吸附温度为70°C,进气流量为30 m L?min-1时,饱和吸附量最高为2.83 mmol?g-1,优于SG-40%TEPA和SG-30%AMP的吸附性能。经10次吸脱附循环后,SG-20%TEPA-20%AMP的饱和吸附量仅下降4.6 wt.%,优于SG-40%TEPA的再生性能。
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