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        “酸水解”合成路徑打造高效沸石吸附劑

        2023-01-11 22:39:53
        中國科學(xué)探險 2022年3期
        關(guān)鍵詞:絲光含鐵周瑜

        日前,南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實驗室、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。

        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,長期以來,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題,影響著它們的使用效率。長期以來,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:一是變原來的粉狀為高機(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)實現(xiàn)了高效碳捕集?!闭撐牡谝蛔髡摺⒛暇┕I(yè)大學(xué)教授周瑜說。

        他介紹,團(tuán)隊采用“酸水解”的合成路徑,經(jīng)過千百次反復(fù)優(yōu)化,并進(jìn)行性能測試和結(jié)構(gòu)解析后,得到了一種孔口更小的沸石材料?!岸趸贾睆綖?.33納米,我們的沸石吸附劑孔口尺寸是0.33~0.34納米,一來可以讓二氧化碳進(jìn)入吸附材料,二來也能阻止甲烷等分子進(jìn)入,如此一來,這個孔口就成了二氧化碳專屬的‘捕集孔’,吸附更精準(zhǔn)?!敝荑ふf。

        實驗顯示,團(tuán)隊合成的含鐵絲光沸石吸附劑在25℃、1個大氣壓條件下,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氬氣、氮?dú)?、甲烷等表現(xiàn)出良好的篩分能力,其分離比13X沸石吸附劑高出多個數(shù)量級。

        此外,在分離過程中,氣體中若有水汽,有的吸附劑會遇水不穩(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,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,在純度相同的情況下,課題組合成的吸附劑對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,具有實際應(yīng)用潛力,開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、實現(xiàn)分離回收和綜合利用的有效途徑,對于實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)具有重要意義?!敝荑ふf,此項研究成果可應(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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