工藝條件對吸附劑動態(tài)二氧化碳吸附性能的影響

摘 要：工藝條件對吸附動態(tài)CO2會有一定的影響，特別是吸附性能方面，也產(chǎn)生很大的變化。固態(tài)氨屬于一種吸附劑，可以吸附CO2，并對其進行搜集與分離。氨基種類，載體空結構，氨基負載技術，吸附劑的吸附與熱力學動力及再生行為都是現(xiàn)階段固態(tài)胺吸附劑領域的研究重點，并從工藝的角度出發(fā)，結合煙道中的溫度、水分，煙道中的雜質(zhì)等方面探討工藝流程對吸附能力的影響。

關鍵詞：吸附能力;二氧化碳;熱力學方向

在實際的應用中，依據(jù)單位質(zhì)量吸附劑的CO2吸附量運算出吸附中胺基的利用率，它會隨著PEG含量的增加而逐漸升高。從特點看，可能是由于PEG的加入，能使PEI的分散效果更好，為了能夠為二氧化碳提供更多的擴散渠道，提高胺基的利用率，從而達到了提升吸附量的作用，PEG的可能作用機理在逐漸上升。此外，PEG作為一種柔性基質(zhì)，能夠緩沖二氧化碳吸附過程中，PEI的長期循環(huán)的宏觀分離會因吸附劑體積變化而受限，且太高吸附劑的循環(huán)穩(wěn)定性。所以在全方位考慮吸附劑的體積變化，限制PEI在長期循環(huán)中分離，以此提升吸附劑的循環(huán)穩(wěn)定性。從吸附特點看，不同的工藝會對吸附的性能都會產(chǎn)生一定的影響。經(jīng)過多年的經(jīng)驗看，在改善吸附劑的吸附和循環(huán)穩(wěn)定性能之后，擔載50wt%的PEI（10000）和20wt%。的PEG（6000）的吸附劑MCS-50-20被填裝到固定床體系，系統(tǒng)考察其對模擬煙道氣CO2吸附性能。工藝條件中涉及到水分、溫度和相關雜志，本文結合實際工作情況，探討上述條件對吸附性能的影響。

1 氣體流速、吸附溫度和CO2濃度對CO2吸附性能的影響

氣體流速、吸附溫度和CO2濃度都是固定床CO2吸附過程中的關鍵性操作條件，外部的一些條件產(chǎn)生變化，其整體的吸附性能也會產(chǎn)生一定的變化。研究這類因素對CO2吸附性能的影響具有較大的現(xiàn)實意義。具體見圖1。MCS-50-20在75℃對15%CO2的吸附穿透曲線和對應的吸附量。吸附劑的穿透時間和吸附量會隨著設備進口氣體流速增加而增加。停留時間是氣體流速對CO2吸附性能產(chǎn)生影響的重要因素，隨著氣體流速加大，CO2在吸附區(qū)的停留時間越來越短，無法完全散入至吸附劑之中，進而使活性吸附位的利用不夠徹底。在持續(xù)的反應中，吸附劑外層的活性位會慢慢被CO2占據(jù)，CO2愈發(fā)難以擴散至吸附劑中。因此，在氣流速度從每分鐘50mL提升至每分鐘200mL時，MCS-50-20的CO2吸附量從163.4降到120mg/g。

在應用過程中，吸附溫度對CO2吸附性能的影響，見下圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)，MCS-50-20對速度為每分鐘50mL的15%

CO2：的吸附量在75℃達到最大，吸附量為163.4mg/g。其影響結果表明，CO2在MCS-50-20上的吸附過程是受動力學擴散控制的。因為胺基與CO2之間的反應屬于放熱反應類型，低溫雖然可以促進CO2的熱力學吸附，然而CO2的擴散速度較慢;在溫度不斷上升的過程中，CO2更容易從吸附劑表面擴散至其孔道結構中，從而提升胺基的利用率，進而使CO2的吸附量大幅增加;隨著吸附溫度持續(xù)上升，被吸附的CO2極易脫附出來，在溫度升至90度時，吸附量會開始降低。然而，這會為吸附劑在低溫度下的再生創(chuàng)造良好條件。

在具體的應用中，不相同情況下的氣體混合物中CO2的濃度并非一層不變的，那么，吸附劑就需要在較大的CO2濃度區(qū)間內(nèi)都具備較強的吸附性能。CO2濃度對吸附劑CO2吸附性能的影響，具體見圖3。不難發(fā)現(xiàn)，MCS-50-

20在75度，速度為每分鐘50mL的吸附條件下，對5%的二氧化碳的吸附量為112.4mg/g，在CO2濃度上升至50%時，MCS-50-20的吸附量提升至199.1mg/g。從上述的研究結果可以看到，MCS-50-20在較大CO2濃度區(qū)間內(nèi)，可以顯現(xiàn)出極佳的吸附性能，吸附性非常好。通過考察氣體流速、吸附溫度和CO2濃度對CO2吸附性能的影響，使我們對吸附過程中的質(zhì)量傳遞有了更為深入的了解。在吸附性能方面的優(yōu)化可以起到非常好的作用，且整體的吸附性能也能夠更符合要求。

2 水分和氧氣對CO2吸附性能的影響

在工藝中，CO2吸附性能還會受到水分和氧氣的影響。在煙道氣等工業(yè)氣體中無法避免的存在水分，那么研究水分對CO2吸附性能的影響十分必要，所以，在相對濕度為0到60%的環(huán)境下測試了MCS-50-20的動態(tài)CO2吸附行為，如圖4所示。MCS-50-20的CO2吸附量隨著濕度上行而慢慢提升，在達到60%時，MCS-50-20對CO2的吸附量從163.4提高至187.5mg/g，增幅達到17.4%。這說明水分在一定程度上促進了CO2的吸附，可使CO2與胺基的反應機理發(fā)生變化，從2摩爾胺基與1摩爾CO2反應生成氨基甲酸酷，轉(zhuǎn)變?yōu)?摩爾胺基與1摩爾CO2反應生成碳酸氫鹽，與以往的研究結果存在一致性。另外，需要注意的是吸附劑在60%RH（相對濕度）條件下的循環(huán)性能從無水條件下的97%提高至98.6%這可能是因為水分的存在能夠阻止脈素鍵的形成，而脈素鍵是胺基與CO2反應的單向副產(chǎn)物。與物理吸附劑比如活性炭等相比，固態(tài)胺吸附劑的耐水性更佳，所以，無需在吸附之前對煙道氣的濕度加以嚴格把控，需要對其進行全面分析研究后，才能確定出，最終確定對吸附性能的影響。

煙道氣中還有一個重要組成氣體就是氧氣，它對CO2吸附的影響在無水與有水條件下展開測試。將MCS-50-20在含氧氣體（二氧化碳、氧氣和氮氣分別為15%、5%和80%）中展開CO2吸附實驗，再生后的吸附劑對CO2吸附量降低至154.4mg/g，CO2吸附量隨著吸附劑循環(huán)次數(shù)的增加而不斷下降，具體見下圖5。這可能是因為吸附和再生過程中PEI的氧化降解引起的。吸附時，一些氧氣會占據(jù)胺基活性位，從而減少了有效的CO2活性位;再生時，再生溫度達到110度會使PEI和O2的反應加快。正是由于這兩種原因使吸附量慢慢降低。但是，在60%RH條件下，MCS-50-20在含5%O2環(huán)境中的循環(huán)穩(wěn)定性大幅提升。水分能夠有效避免胺基受到O2的攻擊，使PEI的氧化變慢。PEI阻礙了球形中孔炭基固態(tài)胺吸附劑的氧化過程與文獻中研究的硅基固態(tài)胺吸附劑的行為相似。

3 SO2，NO和NO2對二氧化碳吸附性能的影響

煙道氣中存在一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫等氣體雜質(zhì)，這些氣體也會和PEI反應，使吸附劑的CO2吸附性能下降。為了對這些雜質(zhì)氣體對CO2吸附性能造成的影響進行研究，將MCS-50-20置于無水和有水兩種環(huán)境下，對CO2吸附量和循環(huán)穩(wěn)定性能進行實驗考察。具體見下圖6。19a是MCS-50-20在無水條件下對含100ppm SO2/NO/NO2的15%二氧化碳氣體的十次吸/脫附循環(huán)吸附量。通過觀察下圖可知，MCS-50-20的第一次吸附量不存在明顯的下降，但后面隨著循環(huán)次數(shù)增加慢慢呈現(xiàn)出下降態(tài)勢，且對含有二氧化硫氣體的吸附量下降幅度最大，然后依次是二氧化氮和一氧化氮。究其原因，主要是由于固態(tài)胺吸附劑更容易吸附酸性氣體，尤其是SO2、NO2、NO和NO2吸附在吸附劑上，并且很難在再生環(huán)節(jié)脫附出來，從而導致吸附劑活性位出現(xiàn)不可逆減少的情況，從而導致二氧化碳吸附量逐漸降低。

如果在60%RH條件下，SO2，NO和NO2會對吸附劑的CO2吸附性能造成更明顯的影響，如圖6所示。MCS-SO-20對含100ppm SO2/NO/NO2的15%CO2氣體的十次吸/脫附循環(huán)吸附量分別降低至第一次吸附量的73.8%，78.6%和85.5%，這與在無水條件下的結果一致。水能促進一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫氣體的溶解，使之更多的吸附在吸附劑上。所以，在展開CO2吸附之前，非常有必要先對煙道氣中的上述三種氣體加以消除。需要注意的是，煙道氣中的一氧化氮、二氧化氮和二氧化硫氣體的濃度在經(jīng)過脫硫和還原后，濃度大約在2-20ppm，會使吸附劑的使用壽命大幅延長。

4 結束語

工藝條件不一樣會影響二氧化碳的吸附能力。在本文中，分別闡述了氣體流速、吸附溫度、水分和氧氣、煙道中SO2，NO和NO2等雜質(zhì)對工藝條件的影響，并對整體的吸附性能進行了分析，需要注意上述工藝條件，才能從根本上優(yōu)化吸附條件，才能使吸附條件達到最優(yōu)。

參考文獻：

[1]馮健，郭瓦力，劉思樂，等.碳酸鉀修飾水滑石吸附二氧化碳工藝條件研究[J].離子交換與吸附，2012，28（1）：70-77.

[2]斯文婷，符玲，等.改性炭凝膠吸附低濃度二氧化碳及電解吸性能[J].高?；瘜W工程學報，2020，34（2）：536-543.

[3]左驍遙，房曉紅，曾凡桂.二氧化碳在高嶺石孔隙中吸附的分子模擬[J].礦產(chǎn)綜合利用，2020（1）：163-167.

[4]譚文澤，宋瓊芳，陳學琴，等.二氧化碳固體吸附劑材料研究進展[J].膠體與聚合物，2020，38（2）：90-94.

[5]郭昊乾，李小亮，李雪飛.煤層氣變壓吸附脫二氧化碳的實驗研究[J].煤質(zhì)技術，2020，35（4）：20-24.

[6]王守桂，朱慶書，陳玲，等.負載型二氧化碳吸附劑的研究進展[J].化工設計通訊，2019，45（11）：144-144，182.