安全環保院自主開發的CO2吸附劑取得新進展

2024-11-12 17:45:10 69閱讀次數

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近期，中國石油集團安全環保技術研究院在分離純化技術領域權威TOP期刊《Separation and Purification Technology》上發表了題為“High stability and strong hydrophobic hindrance effect of core-shell NaX/polyacrylate composite for CO2 capture”的工作，展示了安全環保院在碳捕集方面的最新進展。工作報道了安全環保院研發出的一種具有核殼結構的新型CO2吸附劑，解決了現有吸附劑在有水的情況下難以維持良好的CO2吸附能力的難題，創新提出了一種粉末材料成型的新技術，同時在多次循環測試中保持性能穩定，具有工業應用潛力。

2023年，全球能源相關的二氧化碳排放量增長了1.1%，增加了4.1億噸，達到374億噸的新高。在不可能完全放棄化石能源的情況下，CCUS技術被視為實現溫度控制目標的關鍵技術手段和自下而上的技術保證。在眾多碳捕集技術中，有機胺溶液吸收法被認為是最成熟的燃燒后二氧化碳捕獲技術，目前正處于商業化階段，但是節能降耗的潛力較小。相比之下，固體吸附技術沒有溶劑蒸發造成的額外能耗，沒有設備腐蝕，運行成本低，工藝簡單，具被認為極具應用前景的下一代捕集技術。

對于固體吸附技術，多孔材料直接影響二氧化碳捕集的效率和成本。然而，到目前為止，開發的吸附材料還沒有實現高CO2吸附容量、快速吸附/解吸動力學、高選擇性、高水穩定性和熱穩定性、低解吸溫度、低原料成本和良好的幾何結構等所有性能的統一，吸附技術的潛在優勢也沒有得到充分發揮。分子篩是一種由鋁硅酸鹽組成的多孔晶體材料，在氣體分離領域顯示出良好的應用前景。然而，為了將應用擴展到實際工程中，仍有環境濕度顯著增加再生能耗，抑制分子篩對CO2吸附作用充分發揮和分子篩粉末難以直接應用的問題需要解決。

圖1 吸附劑的工作原理圖

為了應對以上問題，安全環保院通過結構調節策略和原位生長技術實現了分子篩與大孔聚合物的復合，成功開發了一種具有核殼結構的毫米級球形吸附劑。借助于合成的特色模板劑原位調節了分子篩晶體結構，并耦合疏水性聚合物賦予材料疏水外殼，完成了兩者結構和功能的獨特耦合。與原始分子篩相比，開發的吸附劑吸水率（25℃，11%RH）降低了64.77%，即5.20 mmol/g。除此之外，經調制的分子篩納米晶體暴露出更易接近的吸附活性位點，使吸附劑的CO2工作容量增加到原始分子篩的1.3倍。

圖2 (a)材料在40℃下的CO2吸附等溫線;(b)材料在120℃下的CO2吸附等溫線;(c)大孔聚合物材料在40℃和120℃下的CO2吸附等溫線;(d)材料的CO2工作吸附容量

據我們所知，這是即使在材料疏水改性后仍能保持優異氣體吸附性能吸附劑的最佳案例。更重要的是，在100次吸附-解吸循環中，吸附劑的CO2吸附容量幾乎沒有下降。綜合材料成本和性能，開發的吸附劑表現出應用潛力。這項工作提供了一種通用的解決方案，可以提高分子篩類材料的表面疏水性，同時在實際應用中保持其高CO2吸附能力。