活性炭和其它吸附二氧化碳的方法

　　溫室氣體(CO2，CH4，N2O等)是氣候變化以及全球變暖的主要原因。由于二氧化碳在大氣中停留了很長(zhǎng)時(shí)間，因此對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的打擊。二氧化碳排放量主要與化石燃料的燃燒有關(guān)。到2040年，全球能源消耗預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)30%。同時(shí)，將通過使用化石燃料來提供74%的能源，這對(duì)于接下來的75年來說應(yīng)該足夠了。由于大量消耗化石煤作為能源載體，因此不可能減少向大氣中排放的二氧化碳。因此，氣體排放量將顯著增加。因此，有必要尋找減少二氧化碳向環(huán)境中排放的方法。收集煙氣處理過程中使用的二氧化碳的主要方法有很多。本次我們使用了商業(yè)吸附劑和活性炭吸附來提取二氧化碳的方法，研究了活性炭的改性方法及其對(duì)二氧化碳吸附的影響。

　　二氧化碳的吸附方法

　　收集二氧化碳的主要方法分為吸收，吸附，低溫，膜和微生物學(xué)。微生物和低溫過程并不廣泛。圖1顯示了使用單乙醇胺吸收的煙道氣凈化方案。吸附過程在40-60℃的溫度和大氣壓下進(jìn)行。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，富含CO2的溶液進(jìn)入再生過程，該過程在100-140°C的溫度下進(jìn)行。然后將溶劑冷卻并再循環(huán)。該技術(shù)被認(rèn)為是有效的并且廣泛使用，但是它具有一些缺點(diǎn)，例如設(shè)備腐蝕。另外，由于二氧化碳和單乙醇胺的高相互作用，再生過程以高能耗進(jìn)行。

　　圖1：煙氣處理方案。

　　二氧化碳的吸附技術(shù)的簡(jiǎn)化圖在圖二顯示。首先將煙氣中的水分，硫和氮氧化物凈化。然后，所制備的氣體進(jìn)入使用固態(tài)吸附劑的吸附階段，例如活性炭，沸石，金屬有機(jī)骨架，多孔聚合物，基于堿金屬和胺的碳酸鹽的固體材料，碳球等。之后，吸附劑進(jìn)入解吸階段，在此階段釋放出富含CO2的氣體混合物，然后在壓力下將其壓縮。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是二氧化碳萃取效率高，再生成本低以及吸附劑操作的穩(wěn)定性。活性炭對(duì)CO2和N2的吸附能力很高，具有不同于沸石的大比表面積，并且還可以在潮濕條件下工作。而且，活性炭比沸石具有更低的吸附熱，因此它們可以更容易地再生。因此，在25°C和1bar的溫度下，活性炭的吸附熱為3kJ，而沸石為30kJ。收集二氧化碳的吸附劑質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是二氧化碳的吸附量。基本上，在靜態(tài)條件下和動(dòng)態(tài)條件下都進(jìn)行吸附容量的研究。

　　圖2：用于吸附二氧化碳的單乙醇胺吸收方法圖。

　　活性炭吸附二氧化碳

　　在動(dòng)態(tài)條件下，將二氧化碳捕集在特殊的固定床反應(yīng)器中，將活性炭樣品放入其中，并使給定成分的氣體混合物通過。在這種情況下，控制進(jìn)出混合物的流速以及反應(yīng)器中的溫度。氣相色譜儀用于確定吸附的二氧化碳量。在動(dòng)態(tài)條件下確定吸附活性的實(shí)驗(yàn)裝置示例如圖3所示。為了研究靜態(tài)條件下活性炭對(duì)二氧化碳的吸附過程，使用了自動(dòng)裝置，該裝置可以記錄在各種溫度(25°C和0°C)和最高1atm的壓力下的吸附-解吸等溫線。可以在設(shè)備上通過體積法在1atm以上的壓力下吸附CO2。在這種情況下，可以在40至160°C的溫度范圍內(nèi)以及最高36atm的壓力下進(jìn)行測(cè)量。

　　圖3：用于確定活性炭對(duì)二氧化碳的吸附能力的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置圖。

　　活性炭和其他吸附劑對(duì)二氧化碳的吸附能力

　　吸附能力取決于活性炭表面上是否存在雜原子(氧，氮)，酸性和堿性官能團(tuán)，這些雜原子參與了CO2的吸附。通常，為了提高二氧化碳的吸附能力，活性炭通過在其表面包含氮基進(jìn)行修飾。例如，用三亞乙基四胺改性的活性炭表現(xiàn)出對(duì)二氧化碳的高吸附能力。但是，應(yīng)該注意的是，只有在30-40bar的高壓下，此類樣品才能在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。從提高相對(duì)于作為煙道氣一部分的二氧化碳的選擇性的角度考慮活性炭的表面改性。由于CO2分子被歸類為路易斯酸，因此可以通過化學(xué)處理其表面以賦予堿性，從而提高活性炭的選擇性。這可以通過使用各種金屬的氧化物(例如銅，鈷，鎳，鐵和鉻)對(duì)活性炭進(jìn)行改性來實(shí)現(xiàn)。在收集二氧化碳過程中最重要的作用是活性炭的微孔結(jié)構(gòu)。為了增加碳材料的孔隙率，使用了原料的物理和化學(xué)活化。特別是用氫氧化鉀和碳酸鉀處理活性炭，通過KOH化學(xué)活化獲得的活性炭樣品。

　　沸石是用于捕獲二氧化碳的最廣為人知的吸附劑之一。它們是天然和合成材料，并具有孔徑為0.5-1.2nm的微孔晶體骨架，形成了對(duì)氣體分離和純化很重要的連接通道網(wǎng)絡(luò)。沸石的吸收能力比活性炭高。然而，為了在工業(yè)上使用沸石，需要增加的壓力大于2atm。另外，使用沸石的效率隨著溫度的升高和氣體混合物中水分的存在而降低。為了再生廢沸石，有必要使用高溫。

　　金屬有機(jī)骨架代表了一類新型的有效固體吸附劑，比表面積非常高。合成金屬有機(jī)骨架時(shí)，可以調(diào)節(jié)孔的大小和形狀。由于在金屬有機(jī)骨架的結(jié)構(gòu)中形成開放的金屬區(qū)域，因此可以提高相對(duì)于二氧化碳的選擇性。在這些區(qū)域，由于偶極和四極相互作用的誘導(dǎo)，CO2分子與孔表面結(jié)合。但在低壓下的吸附能力卻很低。金屬有機(jī)骨架由昂貴的無機(jī)配體合成并且缺少機(jī)械強(qiáng)度。

　　活性炭和其它吸附二氧化碳的方法重要一點(diǎn)是，被吸附的氣體可以進(jìn)一步用于各種行業(yè)，這使得使用活性炭的吸附技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上具有吸引力。因此，目前正在進(jìn)行大量科學(xué)研究，旨在研究二氧化碳的吸附過程。另外，重要的是要注意，在文章中已經(jīng)研究了各種性質(zhì)的吸附劑，活性炭對(duì)二氧化碳的吸附能力和選擇性的研究是一個(gè)有前途的科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于解決全球變暖問題具有重要意義。

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