ZSM-5/KIT-6复合分子筛的制备、改性及吸附CO2研究

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目前,化石燃料电厂和制造厂中污染物的排放对环境造成了非常严重的危害,其排放的大量CO2是气候变化与全球变暖的最主要贡献者。CO2的吸附分离是减少CO2排放的一种途径,也是储存碳资源的一种有效途径。多孔固体吸附法由于具有低成本、高效率、低能耗等优点而得到广泛的应用。本文制备了微孔-介孔复合分子筛ZSM-5/KIT-6(ZK)并用胺类对其进行改性,采用X射线衍射分析(XRD)、热重和微分热重分析(TGA/DTG)、傅里叶红外光谱(FTIR)、比表面分析(BET)、扫描电镜(SEM)、元素分析等手段进行表征,进而研究了其对CO2的吸附性能及机理。本文以四丙基氢氧化铵(TPAOH)和非离子三嵌段共聚物P123作为导向剂,用纳米组装法合成了ZSM-5/KIT-6复合材料,并制备了不同ZSM-5含量(25、50、75%)的机械混合物以及纯ZSM-5和纯KIT-6用作比较。在所有复合材料中,ZK具有最大的比表面积(749.9 m2/g)、总孔容(1.11 cm3/g)和介孔体积(1.04 cm3/g)。在60°C下,ZK具有最大的CO2吸附量(1.22 mmol/g)。分别用质量占比为50、60、70和80%的四乙烯五胺(TEPA)或聚乙烯亚胺(PEI)对ZK进行有机胺浸渍,研究其在30、45、60、75和90°C下的吸附性能。在60°C下,当胺负载量为60%,ZK-TEPA-X有最佳吸附量和胺效率,分别为5.32 mmol/g和0.38;同样ZK-PEI-X也有最佳吸附量和胺效率,分别为4.49 mmol/g和0.35。ZK-TEPA-60的最佳吸附温度为60°C,吸附量为5.32 mmol/g,而ZK-PEI-60的最佳温度为75°C,吸附量为4.59 mmol/g。以质量占比为50%的二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷(TMPTA)作为嫁接组分,质量占比为30、50和60%的TEPA或PEI作为浸渍组分对ZK进行胺基双功能化改性,研究其在60、75和90°C下的吸附性能。在60°C下,嫁接样品AZK呈现了2.08 mmol/g的吸附量和0.42的胺效率。TEPA负载的样品在60%负载下仍然有较高吸附量(5.91mmol/g),而PEI负载的样品的最佳负载量为50%(吸附量为4.19 mmol/g)。AZK-T60和AZK-P50的最佳吸附温度均为75°C,吸附量分别为6.28和4.69 mmol/g,胺效率分别为0.423和0.42。TEPA负载的样品与PEI相比普遍具有更高的吸附量、胺效率、吸附热晗,且双功能化后性能更佳。拟一级、拟二级、Avrami动力学模型拟合结果表明ZK的吸附仅为物理吸附,而胺改性的样品的吸附为物理和化学吸附的协同吸附。选取六种材料进行五次循环吸脱附实验,结果表明六种材料均有稳定的吸附性能。
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