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“酸水解”合成路徑 一網(wǎng)打盡沸石吸附劑碳捕集痛點(diǎn)

2021-07-22 09:32  來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)  瀏覽:  

7月19日,記者從南京工業(yè)大學(xué)獲悉,該校材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院王軍教授課題組聯(lián)袂浙江大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué),合成自成型含鐵絲光沸石吸附劑,破解了沸石分子篩碳捕集痛點(diǎn),二氧化碳吸附量創(chuàng)新高,可以更精準(zhǔn)地吸附二氧化碳,且性能不受水汽影響。近日,該成果在線刊發(fā)于國(guó)際著名期刊《科學(xué)》上。


含鐵絲光沸石的合成圖以及結(jié)構(gòu)示意圖以及篩分CO2, Ar, N2和CH4的示意圖  南京工業(yè)大學(xué)供圖

沸石作為一種經(jīng)典的吸附材料,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工、氣體吸附分離等眾多領(lǐng)域,具有適用范圍廣、成本低、操作簡(jiǎn)單、循環(huán)復(fù)用便捷等諸多優(yōu)點(diǎn),因而在碳捕集領(lǐng)域備受青睞。

不過(guò),長(zhǎng)期以來(lái),沸石等吸附劑在碳捕集中存在吸附容量不高、氣體分離比低、不耐水汽、脫附再生能耗高、粘結(jié)劑成型后性能下降等問(wèn)題,影響著它們的使用效率。長(zhǎng)期以來(lái),課題組成員一直致力于研究一種新的沸石材料,試圖解決這些技術(shù)痛點(diǎn)。

“我們逐漸探索形成一種獨(dú)特的‘酸水解’路徑合成方法。這種工藝創(chuàng)制的含鐵絲光沸石吸附劑較之以前有兩大突破,一是變?cè)瓉?lái)的粉狀為高機(jī)械強(qiáng)度塊狀,省卻了后續(xù)成型工藝,具有典型綠色化工特點(diǎn);二是獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高效碳捕集。”論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)教授周瑜說(shuō)。

他介紹,團(tuán)隊(duì)采用“酸水解”的合成路徑,經(jīng)過(guò)千百次反復(fù)優(yōu)化,并進(jìn)行性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)解析后,得到了一種孔口更小的沸石材料。“二氧化碳直徑為0.33納米,我們的沸石吸附劑孔口尺寸是0.33—0.34納米,一來(lái)可以讓二氧化碳進(jìn)入吸附材料,二來(lái)也能阻止甲烷等分子進(jìn)入,如此一來(lái),這個(gè)孔口就成了二氧化碳專(zhuān)屬的‘捕集孔’,吸附更精準(zhǔn)。”周瑜說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)顯示,團(tuán)隊(duì)合成的含鐵絲光沸石吸附劑在25攝氏度、1個(gè)大氣壓條件下,每立方厘米可以吸附219立方厘米二氧化碳,是迄今報(bào)道的最高值。同等條件下,用于工業(yè)的13X沸石吸附劑,每立方厘米吸附156立方厘米二氧化碳。更重要的是,含鐵絲光沸石吸附材料對(duì)氬氣、氮?dú)狻⒓淄榈缺憩F(xiàn)出良好的篩分能力,其分離比13X沸石吸附劑高出多個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外,在分離過(guò)程中,氣體中若有水汽,有的吸附劑會(huì)遇水不穩(wěn)定。大部分吸附劑親水,故而分離性能受水汽干擾嚴(yán)重,常常需要先干燥再吸附。而課題組合成的吸附劑,分離性能不受水汽干擾,且循環(huán)使用效果較好。

“就能耗而言,13X沸石吸附劑在分離二氧化碳和甲烷的混合氣時(shí),回收1公斤二氧化碳需要消耗0.97兆焦能量,而我們的吸附劑每吸附1公斤二氧化碳僅需消耗0.7兆焦能量。”論文的通訊作者、南京工業(yè)大學(xué)教授王軍說(shuō),在純度相同的情況下,課題組合成的吸附劑對(duì)二氧化碳的回收率大于95%,甲烷的回收率能從61.9%提升到96.9%。

周瑜表示,這一研究是碳捕集領(lǐng)域的重大突破,具有實(shí)際應(yīng)用潛力,開(kāi)拓了雜原子沸石分子篩在氣體吸附分離領(lǐng)域的新應(yīng)用。

“碳捕獲是降低二氧化碳排放、實(shí)現(xiàn)分離回收和綜合利用的有效途徑,對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)具有重要意義。”周瑜說(shuō),此項(xiàng)研究成果可應(yīng)用于發(fā)電廠燃燒后的二氧化碳捕集、天然氣凈化、沼氣純化等方面。

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