石油焦基活性炭的制备改性及其对CO2的吸附性能

摘要

近年来，由温室效应诱发的高温、冰雹、洪涝以及干旱等灾害性天气频发，因此节能与绿色能源以及温室气体捕获等减排技术日益受到了人们的重视。在所有人类活动造成的温室气体当中CO2排放量最大。因此，如何减少CO2排放是应对温室效应首先要解决的问题。CO2捕集技术因其设备简单，便于操作等优点已收到较多的关注，但吸附法中的捕集成本依然偏高，因而开发品质优良的吸附剂材料已成为当下亟待解决的重要课题之一。
　　 本文首先以石油焦为前驱体原料，通过KOH活化处理制备活性炭。考察了制备工艺（碱焦质量比、碱焦混合方式、原料粒度、原料产地）对活性炭成品吸附性能的影响;课题进一步采用KOH/NaOH二次活化的方式对活性炭的孔结构进行调节，利用BET、红外分析等技术考察了二次活化后活性炭性能的变化，并对测试了样品在室温下的CO2的吸附性能;本文最后采用硝化-还原的方式对活性炭进行改性，利用孔结构分析、红外分析、元素分析、XPS等手段表征了改性后活性炭表面官能团的种类和数量，测试了改性后样品的CO2吸附性能。
　　 结果表明:
　　 (1)选取湖北焦为碳源，粒度范围在100-150μm内，KOH为活化剂，将两者以质量比为3∶1进行干混法混合后，获得的活性炭的CCl4吸附性能可达2252mg/g，而其CO2吸附性能可达15.03mmol/g。
　　 (2)为考察活性炭的孔结构对其吸附性能的影响，利用KOH(或NaOH)对步骤(1)中获得的活性炭进行二次活化后，发现样品表面基团基本不变，但孔径分布变宽，样品中出现了一定数量中孔甚至大孔结构，导致样品的CC14及CO2吸附性能下降。当掺入KOH(或NaOH)与石油焦的质量比为1时得到样品在0-4bar的压力范围内的吸附量高于原样，且通过计算得得到其单位比表面积对CO2吸附量也高于原样;对样品进行十轮缓和条件下的吸附-脱附循环后发现:未经二次活化处理的样品由于孔径较小及孔分布较窄导致其吸附量减少略快。
　　 (3)为考察活性炭的表面官能团对其吸附性能的影响，通过硝化-还原法成功地在步骤(1)中获得的活性炭样品的表面引入了-NH2等碱性官能团，在改性温度为50℃、混酸与水的体积比例为1∶1的情况下硝化反应90min得到的样品吸附性能最佳，样品在室温下以及319.15K下对CO2的吸附量分别高达17.72mmol/g和14.01mmol/g，比原样((1)中最佳样品）分别提高了18％和33％（单位比表面积吸附量的增加幅度）且样品经过4轮缓和条件下的吸附-脱附循环后吸附量未明显下降。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 CO2的排放

1．2 CO2的捕集

1．2．1 燃烧前捕集

1．2．2 富氧燃烧技术

1．2．3 燃烧后捕集

1．3 燃烧后捕集法的分离技术

1．3．1 吸收法

1．3．2 膜分离法

1．3．3 深冷分离法

1．3．4 吸附法

1．4 固态CO2吸附材料

1．4．1 沸石分子筛

1．4．2 金属框架化合物

1．4．3 硅基有序介孔材料

1．4．4 碳质多孔材料

1．5 活性炭吸附CO2的研究现状

1．5．1 活性炭的结构

1．5．2 活性炭的表面性质

1．6 本论文的研究内容

第二章 实验部分

2．1 原料及试剂

2．2 仪器及设备

2．3 高压吸附装置

2．3．1 实验装置及操作方法

2．3．2 吸附量的计算

2．4 仪器检测表征

2．4．1 红外光谱分析

2．4．2 样品的比表面积及孔结构分析

2．4．3 XPS分析

2．4．4 元素分析

第三章 活性炭的制备

3．1 引言

3．2 实验

3．3 实验结果

3．3．1 碱焦质量比对活性炭吸附性能的影响

3．3．2 碱焦混合方式对活性炭吸附性能的影响

3．3．3 原料粒度对活性炭的影响

3．3．4 不同原料对活性炭吸附性能的影响

3．3．5 不同原料制备活性炭的CO2等温吸附线

3．4 小结

第四章 苛性碱二次活化活性炭及其CO2吸附性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料及试剂

4．2．2 样品制备

4．3 二次活化活性炭样品吸附性能

4．3．1 KOH二次活化样品的吸附性能

4．3．2 NaOH二次活化样品的吸附性能

4．4 二次活化活性炭的结构

4．4．1 孔结构分析

4．4．2 红外光谱分析

4．5 二次活化活性炭的CO2吸附性能

4．5．1 室温下二次活化活性炭的CO2等温吸附线

4．5．2 二次活化活性炭的重复再生性能

4．6 小结

第五章 表面改性对活性炭CO2吸附性能的影响

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 硝化温度的优化

5．2．2 硝化时间的优化

5．2．3 硝化浓度的优化

5．3 表面改性活性炭的吸附性能

5．3．1 硝化温度对改性活性炭吸附性能的影响

5．3．2 硝化时间对改性活性炭吸附性能的影响

5．3．3 硝化浓度对改性活性炭吸附性能的影响

5．4 表面改性活性炭的分析表征

5．4．1 孔结构分析

5．4．2 元素分析

5．4．3 红外光谱分析

5．4．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文