不同固体吸附材料吸附CO2的研究进展

摘要：随着全球工业化和城市化进展的不断加剧，二氧化碳（CO2）的排放量急剧增加，已经成为全球气候变化的主要原因之一。为了减少大气CO2的含量，吸附技术作为一种有效的CO2捕集与分离方法备受关注。鉴于此，对不同固体吸附材料吸附CO2的研究进展分析是十分有必要的。首先，对固体材料进行了分析，然后通过实验的方式对不同的固体吸附材料进行CO2吸附研究。随后介绍了当前已经有的研究成果和最新的研究成果。最后对固体吸附材料吸附CO2的未来发展进行了展望。

关键词：固体吸附材料CO2吸附表面功能吸附原理

中图分类号：TQ424

ResearchProgressonCO2AdsorptionbyDifferentSolidAdsorptionMaterials

SHITaohong

SchoolofEnvironmentandBiotechnology，NantongCollegeofScienceandTechnology，Nantong，JiangsuProvince，226007China

Abstract：Withthecontinuousintensificationofglobalindustrializationandurbanization，theemissionsofcarbondioxide（CO2）havesharplyincreased，becomingoneofthemaincausesofglobalclimatechange.InordertoreducethecontentofatmosphericCO2，AdsorptiontechnologyhasattractedmuchattentionasaneffectivemethodforCO2captureandseparation.Inviewofthis，itisnecessarytoanalyzetheresearchprogressofCO2adsorptionbydifferentsolidadsorptionmaterials.Inthisarticle，firstly，thesolidmaterialsareanalyzed，andthenCO2adsorptionstudiesareconductedondifferentsolidadsorptionmaterialsthroughexperiments.Subsequently，theexistingresearchresultsandthelatestonesareintroduced.Finally，thefuturedevelopmentofsolidadsorptionmaterialsforCO2adsorptionisdiscussed.

KeyWords：Solidadsorptionmaterials;CO2adsorption;Surfacefunction;Adsorptionprinciple

随着CO2温室效应日趋严重，有效的CO2捕集与分离技术的作用日益凸显。鉴于此，本文综合分析了当前不同固体吸附材料在CO2吸附方面的研究进展。讨论了不同固体吸附材料的种类和特性，并通过对比分析对不同固体吸附材料对CO2的吸附效果进行了研究。旨在为CO2的捕集和分离提供理论和实践基础，为全球碳减排和气候变化提供新的思路和方法。

1固体吸附材料分析

1.1固体吸附材料的类型及原理

固体吸附材料的类型可分为物理吸附材料和化学吸附材料，其中物理吸附材料是指吸附剂和吸附物之间主要通过范德华力进行作用的吸附过程。在物理吸附下，吸附剂和吸附分子之间没有共价键的形成，吸附是一个可逆的过程。物理吸附通常发生在低温下和较低的吸附压力下。化学吸附材料是指吸附剂和吸附物之间形成了化学键的吸附过程。化学吸附通常比物理吸附更具选择性，吸附剂对吸附物有更强的亲和力[1]。

1.2常见固体吸附材料分析

固体吸附材料有很多，本文选择了市面上主流的吸附材料进行原理分析，包括活性炭、活性氧化铝及氨基改性材料。

活性炭是一种常用的固体吸附材料，它独特的物理性质和化学性质，使它在气体吸附、水处理、废气净化等领域得到广泛应用。它的吸附原理主要体现在物理吸附、化学吸附、碘吸附值、表面功能团4个方面。其吸附原理中的碘吸附值与表面功能团是比较特殊的。活性炭的吸附性能通常通过碘吸附值来评价，即单位质量的活性炭吸附碘的量。碘吸附值与活性炭的孔隙结构密切相关，孔隙结构越发达，活性炭的碘吸附值通常越高，吸附性能也就越好。而活性炭的表面功能团对其吸附性能也有重要影响。不同类型的功能团会与不同种类的污染物产生特定的相互作用，影响吸附效果[2]。

活性氧化铝是一种由氧化铝为主要成分的多孔材料，其形式有球形、颗粒状和颗粒柱状3种。它常用去除水中重金属离子、有机污染物、气体中的气体污染物等。它的吸附原理主要体现在范德华力吸附、化学吸附、离子交换、氢键作用4个方面，其吸附原理中离子交换与氢键作用是比较特殊的。在一些情况下，氧化铝的表面活性位点可能表现出离子交换的能力。当存在带电离子的吸附分子与氧化铝表面接触时，它们可以通过离子交换作用，将表面活性位点中的离子释放出来，同时将其自身带电离子吸附到表面上。而氢键作用是指氧化铝表面的羟基具有氢键供体的作用，可以与一些具有氢键受体性质的分子形成氢键作用。它会增强吸附分子在氧化铝表面的吸附能力，尤其在液态吸附中具有重要作用。

2固体吸附材料对CO2的吸附实验

2.1实验目的

实验的目的是比较活性炭、活性氧化铝和氨基改性材料的固体吸附性能，包括吸附CO2的量和速度、CO2选择性能以及再生能力。通过实验得到的数据，可以评估不同材料对CO2的吸附效果，并为寻找更有效的CO2减排材料提供参考和依据。

2.2实验材料及准备

实验材料准备具体叙述如下。（1）活性炭、活性氧化铝和氨基改性沸石基材料：高纯度的活性炭、活性氧化铝和氨基改性沸石基材料，并将材料制备成均匀颗粒状的实验样品。（2）CO2气源：装有高纯度的CO2气体的气瓶，并且对气瓶进行检查，确保阀门正常，并准备好安全操作CO2气源所需的管道和其他连接装置。（3）混合气体：装有CO2、N2和CH4的气瓶。（3）实验装置和设备：吸附装置、量热计、分析天平3种设备，并且在实验之前进行必要的校准。（4）实验条件控制设备：恒温槽和真空泵设备。本次实验设置温度为常温20～140℃下进行，压力在常规压力下进行。（5）安全设备：实验操作所需的防护眼镜、实验室外套、手套等安全设备。

2.3实验说明

本次实验分为吸附实验、CO2选择性实验、再生能力实验。其中吸附实验从常温20℃起进行3种材料的效果进行对比分析，实验总共有六次，它们分别在常温20℃、50℃、80℃、100℃、120℃、140℃进行。CO2选择性实验进行一次，再生能力实验进行一次。

2.4实验步骤

2.4.1吸附实验

（1）准备吸附装置，并根据实验要求分别放入活性炭、活性氧化铝和氨基改性材料样品。

（2）将各样品暴露于CO2气源下，开始吸附实验。

（3）在常温20℃、50℃、80℃、100℃、120℃、140℃分别进行6次吸附实验，记录每次实验的吸附量和吸附速度。

2.4.2CO2选择性实验

（1）准备混合气体气瓶，包含CO2、N2和CH4。

（2）将混合气体通入吸附装置中，进行CO2选择性实验。

（3）记录各气体被吸附的量，评估各材料的CO2选择性能。

2.4.3再生能力实验

（1）对已吸附CO2的样品通过真空泵设备进行再生处理，采用适当的方法将CO2从吸附剂中释放出来。

（2）测量再生后吸附剂的性能参数，如再生后的吸附效率等。

2.4.4数据分析

数据分析主题主要有5个方面：吸附量分析、吸附速度分析、CO2选择性分析、再生能力分析、综合性能评估。其中综合性能评估是指将吸附量、吸附速度、选择性能和再生能力等数据综合考虑，评估3种材料在CO2捕获方面的综合性能。提出结论并建议最适合用于CO2减排的材料。

2.5实验结论

2.5.1吸附量

在不同温度下，3种材料对CO2的吸附量存在明显差异。活性炭在低温下表现出色，吸附量较高；而随着温度升高，其吸附量呈现下降趋势。相比之下，活性氧化铝和氨基改性材料在高温下展示出更好的吸附性能，尤其是在高温条件下，氨基改性材料表现出色，吸附量明显超过其他两种材料。

2.5.2吸附速度

活性炭吸附速度较快，但随着温度升高，吸附速度下降明显；活性氧化铝和氨基改性材料吸附速度相对稳定，且活性氧化铝在吸附速度上略优于氨基改性材料。

2.5.3CO2选择性

在CO2选择性方面，活性炭、活性氧化铝和氨基改性材料均具有一定的CO2选择性，但以氨基改性材料为最佳，其对CO2的选择性能力最强。

2.5.4再生能力

活性炭的再生能力较差，再生后的吸附效率明显下降；活性氧化铝和氨基改性材料则表现出较好的再生能力，再生后的吸附效率保持较高水平。

2.5.5综合性能

CO2吸附方面，氨基改性材料表现最佳，具有较高的吸附量、稳定的吸附速度、良好的CO2选择性和优秀的再生能力。

3成果研究综述

在固体吸附材料吸附CO2的研究过程中，每年都会有很多研究者对其研究并发表相关研究成果。例如：2021年的研究成果《一种新型TEPA负载或PEI负载Beta/KIT-6复合材料及其在CO2吸附中的应用》，该研究利用非离子三嵌段共聚物普朗尼克作为模板，原硅酸四乙酯为硅源，合成了一种胺改性的CO2捕获复合材料[3]；2022年的研究成果《沸石-粉煤灰-矿渣复合多孔材料的制备及性能：CO2吸附性能和力学性能》，该研究利用碱性固体废弃物制备多孔材料以吸附CO2，以解决温室气体排放引起的环境问题[4]；2023年的研究成果《介孔氮化碳负载MgO，可增强CO2捕获》，该研究采用简单工艺制备了一系列不同MgO含量的MgO负载介孔氮化碳吸附剂，并测试它们在大气压下捕获CO2的性能[5]。当然，最新文献研究成果有很多，其中研究成果《K2CO3促进的层状双氢氧化物衍生吸附剂的动态中温CO2吸附性能》是2024年3月7日由LIRuotong、HUXixuan、HUANGLiang、NicholasMuleiMusyoka、XUETianshanXue、WANGQiang发表的，具有较大价值，该研究使用了MgAl-LDH、K2CO3/MgAl-LDH和K2CO3/MgAl-LDH（C16）作为吸附剂[6]。

4展望固体吸附材料吸附CO2的未来发展

固体吸附材料吸附CO2对全球气候变化、减少大气CO2排放、CO2的资源碳循环利用等起着重要的作用。因此，在未来应从提高固定吸附材料的CO2吸附性能为主进行研究，通过优化材料结构、研发多功能复合材料等，进一步实现更加经济、高效及持续的CO2捕获效果。只有持续不断地改善和发展，固定吸附材料才能进一步实现可持续发展，为人类做出更大的贡献。

参考文献

[1]HAORUIL，ZHIHAOL，SHUOYUW，etal.Synthesisandcharacterizationofathermosensitivesolidaminebiomassadsorbentforcarbondioxideadsorption[J].JournalofEnvironmentalManagement，2021，292：112722.

[2]LIH，QiY，CHENJ，etal.Developmentofamine-pillar[5]arenemodifiedporoussilicaforCO2adsorption，andCO2/CH4，CO2/N2separation[J].SeparationandPurificationTechnology，2024，337：126400.

[3]LIY，WEIJ，GENGLL，etal.ANovelTEPA-LoadorPEI-LoadBeta/KIT-6CompositeandtheirApplicationtoCO2Adsorption[J].Nano，202116（3）：2150033.

[4]LUW，LIJ，QIGS，etal.Preparationandpropertiesofzeolite-flyash-slagcompositeporousmaterials：CO2adsorptionperformanceandmechanicalproperty[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch，2022，30：27303-27314.

[5]REFAATZ，ELSAIEDM，ABOELNAGAA，etal.MesoporouscarbonnitridesupportedMgOforenhancedCO2capture[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch，2023，30（18）：53817-53832.

[6]LIR，THUXX，HUANGL，etal.DynamicIntermediate-TemperatureCO2AdsorptionPerformanceofK2CO3-PromotedLayeredDoubleHydroxide-DerivedAdsorbents[J].Molecules，2024，29（6）：1192.