氨基功能化介孔硅胶的制备及其CO2吸附性能研究

摘要

煤、石油、天然气等化石燃料的广泛应用，导致我国CO2排放总量与日俱增，特别是电厂烟道气中排放的CO2。由于各种替代能源在一定时间内很难动摇化石能源的统治地位，而CO2问题越来越紧迫，因此，电厂烟道气中CO2的捕集和分离已成为当前人类面临的重大问题之一。
　　固态胺吸附剂具有CO2吸附-脱附速率快、再生能耗低、对设备腐蚀性小等优点，成为近年来研究的热点。然而，固态胺吸附剂制备过程中，常用的载体多为分子筛，其制备工艺繁琐、成本较高，难以大规模工业应用。因此，本文采用商业化的介孔硅胶(MSG)为载体，开发了一系列氨基功能化的低成本CO2吸附材料。主要研究内容和研究结果如下:
　　1、采用浸渍法制备了四乙烯五胺(TEPA)修饰的介孔硅胶吸附剂，并对其CO2吸附性能进行了研究。当硅胶粒径48～75μm、TEPA负载量40 wt.％、吸附温度70℃、进气流量30 mL·min-1时，CO2吸附能力最强，其平衡吸附量为2.21mmol·g-1。一定含量聚乙二醇(PEG)的加入增强了氨基与CO2之间的相互作用，TEPA30/PEG10-MSG的吸附量达到2.70 mmol·g-1。10次吸脱附后，TEPA40-MSG、TEPA30/PEG10-MSG的平衡吸附量分别下降8％和1.5％。
　　2、采用酸活化和草酸、碳酸铵、尿素高温焙烧活化两种方法分别对MSG进行扩孔改性，筛选最佳改性方法。实验结果发现，当(NH4)2CO3与MSG的质量比为1∶1时，经250℃高温焙烧制得的MSG吸附效果最好，其可将TEPA最佳负载量提高到50 wt.％, CO2平衡吸附量高达4.26 mmol·g-1。
　　3、采用嫁接与浸渍两步法制备了3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)和TEPA混合改性的MSG。结果表明，APTS与MSG表面的硅羟基相互作用，形成了Si-O-Si网络结构，促进了TEPA的分散，并提高了吸附剂的热稳定性。当APTS负载量为30 wt.％，TEPA负载量为30 wt.％，吸附温度为70℃，进气流量为30mL·min-1时，其CO2平衡吸附量达到3.04 mmol·g-1。10次吸脱附循环后，TEPA30/APTS30-MSG的平衡吸附量下降3％。
　　4、利用吸附平衡、吸附热力学和吸附动力学分析了CO2在氨基改性MSG上的吸附过程和机理。TEPA30/PEG10-MSG吸附CO2过程中的等量吸附热为30～40kJ·mol-1，受物理吸附和化学吸附共同控制。初始吸附阶段，CO2的吸附速率较快，该阶段受化学反应控制;随吸附进行，表面活性位逐渐被占据，CO2进入吸附剂孔道中的扩散阻力增大，吸附速率急剧下降，此阶段受气体内扩散控制。氨基改性后，CO2扩散阻力增大，吸附速率下降;随着温度的升高，CO2吸附速率明显加快。

目录

摘要

符号说明

1 文献综述

1．1 课题背景

1．1．1 二氧化碳排放现状

1．1．2 二氧化碳主要排放源及组成

1．2 二氧化碳捕集技术

1．2．1 溶剂吸收法

1．2．2 膜分离法

1．2．3 吸附法

1．3 氨基改性多孔材料吸附CO2的研究进展

1．3．1 多孔材料基质

1．3．2 氨基改性剂

1．3．3 制备方法

1．3．4 CO2吸附机理

1．4 本文的研究内容和创新点

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 创新点

2 实验部分

2．1 实验药品及仪器

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．2 吸附剂的制备

2．2．1 TEPA改性介孔硅胶的制备

2．2．2 TEPA／PEG改性介孔硅胶的制备

2．2．3 TEPA／APTS混合胺改性介孔硅胶的制备

2．3 吸附剂分析与表征方法

2．3．1 FT-IR表征

2．3．2 热重分析

2．3．3 N2吸脱附表征

2．3．4 SEM表征

2．4 吸附性能评价

2．4．1 CO2吸附实验装置

2．4．2 CO2穿透曲线及吸附量

2．5 本章小结

3 TEPA改性介孔硅胶的CO2吸附性能研究

3．1 引言

3．2 TEPA改性介孔硅胶的表征分析

3．2．1 FT-IR表征分析

3．2．2 热重分析

3．2．3 N2吸脱附表征分析

3．2．4 SEM表征分析

3．3 TEPA改性介孔硅胶的CO2吸附性能

3．3．1 硅胶粒径对CO2吸附性能的影响

3．3．2 TEPA负载量的影响

3．3．3 吸附温度的影响

3．3．4 进气流量的影响

3．3．5 PEG添加量对CO2吸附性能的影响

3．4 硅胶预处理对CO2吸附性能的影响

3．4．1 酸活化对CO2吸附性能的影响

3．4．2 高温焙烧活化对CO2吸附性能的影响

3．5 TEPA改性介孔硅胶的再生性能

3．6 本章小结

4 TEPA／APTS混合胺改性介孔硅胶的CO2吸附性能

4．1 引言

4．2 TEPA／APTS改性介孔硅胶的表征分析

4．2．1 FT-IR表征分析

4．2．2 热重分析

4．2．3 N2吸脱附表征分析

4．3 TEPA／APTS改性介孔硅胶的CO2吸附性能

4．3．1 TEPA／APTS负载量对CO2吸附性能的影响

4．3．2 吸附温度对CO2吸附性能的影响

4．3．3 进气流量对CO2吸附性能的影响

4．3．4 再生性能

4．4 吸附性能比较

4．5 本章小结

5 CO2吸附热力学和动力学研究

5．1 CO2吸附热力学

5．1．1 CO2吸附等温线

5．1．2 等量吸附热的计算

5．2 CO2吸附动力学

5．2．1 CO2在氨基改性硅胶上的吸附动力学

5．2．2 温度对吸附速率的影响

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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