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化石能源燃烧所排放CO2被认为是造成全球气候变暖的主要温室气体,燃烧后捕集是目前控制大宗工业生产CO2排放的有效方法,高性能CO2氨基改性介孔分子筛吸附剂的制备是从烟气中分离CO2的核心问题,业已引起了广泛的关注。本论文主要制备高CO2吸附容量和高稳定性的有机胺改性介孔硅基CO2吸附剂,并对其相关基础理论进行研究。在深入研究四乙烯五胺(TEPA)在介孔分子筛SBA-15原粉(SBA-15(P))上的嫁接和键合作用机制基础上,提出了动态浸渍制备方法并对其进行优化,获得了性能良好的CO2吸附剂;考察了吸/脱附过程的工艺参数,构建了一种整体式CO2高效吸附系统;采用原位红外技术分析了CO2在吸附材料表面的吸/脱附行为,初步探讨了CO2在有机胺改性硅材料表面的吸/脱附机理。
通过筛选制备方法和控制浸渍过程将TEPA负载到SBA-15(P)上制备氨基修饰的CO2吸附剂-TEPA/SBA-15(P),系统考察了浸渍次数和浸渍液胺浓度等动态浸渍效果的影响,阐述了TEPA在SBA-15(P)上的键合作用机制。通过考察动态浸渍次数和浸渍液胺浓度对动态浸渍效果的影响表明,动态浸渍中,在每次浸渍溶液用量35 mL,停留时间20 min的情况下,浸渍4次以及浸渍溶液TEPA与EtOH体积比为1:50时最合适;动态浸渍法提高了有机胺TEPA在载体SBA-15(P)上分散度并改善了结合形态,从而提高了吸附剂的稳定性。
系统考察了TEPA改性SBA-15(P)材料的CO2吸/脱附适用的工艺条件,实验研究表明,对于浓度为9.62%的CO2适宜的吸/脱附条件为:吸附温度75℃,气体流速20 mL·min-1,升温速率5℃·min-1,吸附时间30 min,脱附温度和时间分别为100℃和30 min。该吸附剂对浓度为9.62%和99.999%的CO2吸附容量基本一致,无水和有水气氛对吸附材料吸附CO2的容量影响不大。
采用涂浆法构建了TEPA/SBA-15(P)/堇青石整体式吸附体系。考察了整体式和颗粒吸附剂的CO2吸附容量和循环寿命。研究结果表明,整体式吸附剂上的活性组分既保留了颗粒吸附剂对CO2的吸附活性,同时具有良好的传质传热性能,经多次循环吸附后,避免了颗粒吸附剂大面积结块现象。
采用原位红外技术研究了CO2在吸附剂TEPA/SBA-15(P)表面的吸附行为,探讨了CO2的吸附机理。研究表明,CO2在吸附剂表面结合产生的主要吸附物种为双齿碳酸盐、单齿碳酸氢盐、双齿碳酸氢盐、氨基甲酸、氨基乙酸和氨基甲酸铵,在无水和有水条件下,CO2与该吸附剂表面主要结合为氨基甲酸酯。
用混合胺TEPA和AP改性介孔材料制备了吸附剂,并用动态浸渍法用TEPA改性硅胶制备CO2吸附剂。研究结果表明,TEPA和AP混合改性介孔材料可用于制备高吸附容量和高稳定性CO2吸附剂,而动态浸渍法则不适用于TEPA改性工业硅胶制备CO2吸附剂。