工艺条件对吸附剂动态二氧化碳吸附性能的影响

摘 要：工艺条件对吸附动态CO2会有一定的影响，特别是吸附性能方面，也产生很大的变化。固态氨属于一种吸附剂，可以吸附CO2，并对其进行搜集与分离。氨基种类，载体空结构，氨基负载技术，吸附剂的吸附与热力学动力及再生行为都是现阶段固态胺吸附剂领域的研究重点，并从工艺的角度出发，结合烟道中的温度、水分，烟道中的杂质等方面探讨工艺流程对吸附能力的影响。

关键词：吸附能力;二氧化碳;热力学方向

在实际的应用中，依据单位质量吸附剂的CO2吸附量运算出吸附中胺基的利用率，它会随着PEG含量的增加而逐渐升高。从特点看，可能是由于PEG的加入，能使PEI的分散效果更好，为了能够为二氧化碳提供更多的扩散渠道，提高胺基的利用率，从而达到了提升吸附量的作用，PEG的可能作用机理在逐渐上升。此外，PEG作为一种柔性基质，能够缓冲二氧化碳吸附过程中，PEI的长期循环的宏观分离会因吸附剂体积变化而受限，且太高吸附剂的循环稳定性。所以在全方位考虑吸附剂的体积变化，限制PEI在长期循环中分离，以此提升吸附剂的循环稳定性。从吸附特点看，不同的工艺会对吸附的性能都会产生一定的影响。经过多年的经验看，在改善吸附剂的吸附和循环稳定性能之后，担载50wt%的PEI（10000）和20wt%。的PEG（6000）的吸附剂MCS-50-20被填装到固定床体系，系统考察其对模拟烟道气CO2吸附性能。工艺条件中涉及到水分、温度和相关杂志，本文结合实际工作情况，探讨上述条件对吸附性能的影响。

1 气体流速、吸附温度和CO2浓度对CO2吸附性能的影响

气体流速、吸附温度和CO2浓度都是固定床CO2吸附过程中的关键性操作条件，外部的一些条件产生变化，其整体的吸附性能也会产生一定的变化。研究这类因素对CO2吸附性能的影响具有较大的现实意义。具体见图1。MCS-50-20在75℃对15%CO2的吸附穿透曲线和对应的吸附量。吸附剂的穿透时间和吸附量会随着设备进口气体流速增加而增加。停留时间是气体流速对CO2吸附性能产生影响的重要因素，随着气体流速加大，CO2在吸附区的停留时间越来越短，无法完全散入至吸附剂之中，进而使活性吸附位的利用不够彻底。在持续的反应中，吸附剂外层的活性位会慢慢被CO2占据，CO2愈发难以扩散至吸附剂中。因此，在气流速度从每分钟50mL提升至每分钟200mL时，MCS-50-20的CO2吸附量从163.4降到120mg/g。

在应用过程中，吸附温度对CO2吸附性能的影响，见下图2。可以发现，MCS-50-20对速度为每分钟50mL的15%

CO2：的吸附量在75℃达到最大，吸附量为163.4mg/g。其影响结果表明，CO2在MCS-50-20上的吸附过程是受动力学扩散控制的。因为胺基与CO2之间的反应属于放热反应类型，低温虽然可以促进CO2的热力学吸附，然而CO2的扩散速度较慢;在温度不断上升的过程中，CO2更容易从吸附剂表面扩散至其孔道结构中，从而提升胺基的利用率，进而使CO2的吸附量大幅增加;随着吸附温度持续上升，被吸附的CO2极易脱附出来，在温度升至90度时，吸附量会开始降低。然而，这会为吸附剂在低温度下的再生创造良好条件。

在具体的应用中，不相同情况下的气体混合物中CO2的浓度并非一层不变的，那么，吸附剂就需要在较大的CO2浓度区间内都具备较强的吸附性能。CO2浓度对吸附剂CO2吸附性能的影响，具体见图3。不难发现，MCS-50-

20在75度，速度为每分钟50mL的吸附条件下，对5%的二氧化碳的吸附量为112.4mg/g，在CO2浓度上升至50%时，MCS-50-20的吸附量提升至199.1mg/g。从上述的研究结果可以看到，MCS-50-20在较大CO2浓度区间内，可以显现出极佳的吸附性能，吸附性非常好。通过考察气体流速、吸附温度和CO2浓度对CO2吸附性能的影响，使我们对吸附过程中的质量传递有了更为深入的了解。在吸附性能方面的优化可以起到非常好的作用，且整体的吸附性能也能够更符合要求。

2 水分和氧气对CO2吸附性能的影响

在工艺中，CO2吸附性能还会受到水分和氧气的影响。在烟道气等工业气体中无法避免的存在水分，那么研究水分对CO2吸附性能的影響十分必要，所以，在相对湿度为0到60%的环境下测试了MCS-50-20的动态CO2吸附行为，如图4所示。MCS-50-20的CO2吸附量随着湿度上行而慢慢提升，在达到60%时，MCS-50-20对CO2的吸附量从163.4提高至187.5mg/g，增幅达到17.4%。这说明水分在一定程度上促进了CO2的吸附，可使CO2与胺基的反应机理发生变化，从2摩尔胺基与1摩尔CO2反应生成氨基甲酸酷，转变为1摩尔胺基与1摩尔CO2反应生成碳酸氢盐，与以往的研究结果存在一致性。另外，需要注意的是吸附剂在60%RH（相对湿度）条件下的循环性能从无水条件下的97%提高至98.6%这可能是因为水分的存在能够阻止脉素键的形成，而脉素键是胺基与CO2反应的单向副产物。与物理吸附剂比如活性炭等相比，固态胺吸附剂的耐水性更佳，所以，无需在吸附之前对烟道气的湿度加以严格把控，需要对其进行全面分析研究后，才能确定出，最终确定对吸附性能的影响。

烟道气中还有一个重要组成气体就是氧气，它对CO2吸附的影响在无水与有水条件下展开测试。将MCS-50-20在含氧气体（二氧化碳、氧气和氮气分别为15%、5%和80%）中展开CO2吸附实验，再生后的吸附剂对CO2吸附量降低至154.4mg/g，CO2吸附量随着吸附剂循环次数的增加而不断下降，具体见下图5。这可能是因为吸附和再生过程中PEI的氧化降解引起的。吸附时，一些氧气会占据胺基活性位，从而减少了有效的CO2活性位;再生时，再生温度达到110度会使PEI和O2的反应加快。正是由于这两种原因使吸附量慢慢降低。但是，在60%RH条件下，MCS-50-20在含5%O2环境中的循环稳定性大幅提升。水分能够有效避免胺基受到O2的攻击，使PEI的氧化变慢。PEI阻碍了球形中孔炭基固态胺吸附剂的氧化过程与文献中研究的硅基固态胺吸附剂的行为相似。

3 SO2，NO和NO2对二氧化碳吸附性能的影响

烟道气中存在一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫等气体杂质，这些气体也会和PEI反应，使吸附剂的CO2吸附性能下降。为了对这些杂质气体对CO2吸附性能造成的影响进行研究，将MCS-50-20置于无水和有水两种环境下，对CO2吸附量和循环稳定性能进行实验考察。具体见下图6。19a是MCS-50-20在无水条件下对含100ppm SO2/NO/NO2的15%二氧化碳气体的十次吸/脱附循环吸附量。通过观察下图可知，MCS-50-20的第一次吸附量不存在明显的下降，但后面随着循环次数增加慢慢呈现出下降态势，且对含有二氧化硫气体的吸附量下降幅度最大，然后依次是二氧化氮和一氧化氮。究其原因，主要是由于固态胺吸附剂更容易吸附酸性气体，尤其是SO2、NO2、NO和NO2吸附在吸附剂上，并且很难在再生环节脱附出来，从而导致吸附剂活性位出现不可逆减少的情况，从而导致二氧化碳吸附量逐渐降低。

如果在60%RH条件下，SO2，NO和NO2会对吸附剂的CO2吸附性能造成更明显的影响，如图6所示。MCS-SO-20对含100ppm SO2/NO/NO2的15%CO2气体的十次吸/脱附循环吸附量分别降低至第一次吸附量的73.8%，78.6%和85.5%，这与在无水条件下的结果一致。水能促进一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫气体的溶解，使之更多的吸附在吸附剂上。所以，在展开CO2吸附之前，非常有必要先对烟道气中的上述三种气体加以消除。需要注意的是，烟道气中的一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫气体的浓度在经过脱硫和还原后，浓度大约在2-20ppm，会使吸附剂的使用寿命大幅延长。

4 结束语

工艺条件不一样会影响二氧化碳的吸附能力。在本文中，分别阐述了气体流速、吸附温度、水分和氧气、烟道中SO2，NO和NO2等杂质对工艺条件的影响，并对整体的吸附性能进行了分析，需要注意上述工艺条件，才能从根本上优化吸附条件，才能使吸附条件达到最优。

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