碳捕集變壓吸附技術(shù)工藝及吸附材料研究進(jìn)展

高騰飛，常超，楊陽(yáng)，徐冬，孫振新，孟瑞紅，段曉雅，李颯

開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

碳捕集變壓吸附技術(shù)工藝及吸附材料研究進(jìn)展

高騰飛1，常超1，楊陽(yáng)1，徐冬1，孫振新1，孟瑞紅1，段曉雅2，李颯2

（1. 國(guó)電新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209； 2. 華北電力大學(xué)，北京 102206）

變壓吸附技術(shù)作為重要的氣體分離方法，在燃燒后碳捕集過(guò)程中顯現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)介紹了變壓吸附碳捕集技術(shù)的原理以及多塔多層變壓吸附和變溫變壓吸附兩種變壓吸附的衍生工藝，綜述了適用于變壓吸附的碳基材料、沸石分子篩以及金屬有機(jī)框架等物理吸附材料和胺基修飾的多孔材料以及聚合離子液體等化學(xué)吸附材料的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上討論了變壓吸附技術(shù)在碳捕集方面存在的問(wèn)題。

變壓吸附； 吸附原理； 物理吸附； 化學(xué)吸附

長(zhǎng)期以來(lái)基于化石燃料的燃燒，在支撐全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)向大氣中排放的大量二氧化碳（CO2）所引發(fā)的強(qiáng)烈溫室效應(yīng)受到了全球各國(guó)的高度關(guān)注，如何實(shí)現(xiàn)碳減排已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)亟待解決的重大問(wèn)題[1]。近年來(lái)，CO2捕集、利用以及封存技術(shù)(CCUS)及生物質(zhì)能源技術(shù)、氫能與CCUS結(jié)合的新型CCUS技術(shù)作為有望實(shí)現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的新興技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）于2019年發(fā)布的《氣候變化與土地特別報(bào)告》預(yù)測(cè)到2050年基于CCUS技術(shù)每年的二氧化碳減排潛力將達(dá)到4~113億t[2]。國(guó)際能源署(IEA)于同年發(fā)布的《通過(guò)CCUS改造工業(yè)》指出，到2060年CCUS技術(shù)將實(shí)現(xiàn)工業(yè)部門(mén)累計(jì)減排量達(dá)到280億t，能源加工與轉(zhuǎn)換部門(mén)達(dá)到310億t，而以煤炭為主的電力行業(yè)將達(dá)到560億t[3]。但就目前的發(fā)展而言，CCUS技術(shù)系統(tǒng)高昂的運(yùn)行成本嚴(yán)重制約了規(guī)?；茝V。其中，CO2捕集成本通常占據(jù)總體成本的70%以上。從而通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)一步降低捕集成本將對(duì)CCUS技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化實(shí)施起到關(guān)鍵影響。

目前，CCUS技術(shù)在碳捕集方面主要有3條技術(shù)路徑： 1）燃燒前捕集，通過(guò)燃燒前將碳從燃料中脫除； 2）燃燒后捕集，從燃燒生成的煙氣中分離二氧化碳； 3）富氧燃燒，又稱(chēng)氧氣、二氧化碳燃燒技術(shù)或空氣分離、煙氣再循環(huán)技術(shù)[4]。燃燒后捕集由于工藝流程簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟并且捕集系統(tǒng)對(duì)嵌入主體影響小，具有更大的發(fā)展?jié)摿?。根?jù)CO2分離方式的不同燃燒后捕集可以分為化學(xué)溶劑吸收法[5]、膜分離法[6]、低溫分離法以及變壓吸附法[7]。相較于前三種分離方法而言，變壓吸附法(PSA)脫除CO2工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、易于操作、能耗低、再生性強(qiáng)、無(wú)腐蝕、無(wú)污染，具有明顯的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[8]。

變壓吸附法是吸附分離技術(shù)中一項(xiàng)用于分離氣體混合物的技術(shù)。1966年，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司（UCC）首先將其應(yīng)用于從含氫工業(yè)廢氣中回收高純氫，此后隨著該技術(shù)的不斷完善，在醫(yī)藥、食品、冶金、化工等領(lǐng)域相繼得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著CCUS技術(shù)的興起，變壓吸附法作為高效的氣體分離技術(shù)根據(jù)CO2分子性質(zhì)以及工業(yè)尾氣排放特征得到了進(jìn)一步的改進(jìn)和完善已成功引入到工業(yè)脫碳過(guò)程。吸附材料作為變壓吸附技術(shù)的核心，對(duì)于整個(gè)吸附過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性及可行性具有極為重要的影響。對(duì)此，本文對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)、外應(yīng)用于碳減排的變壓吸附技術(shù)原理、工藝、吸附材料研究進(jìn)展以及工程應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)、分析和評(píng)述。

1 變壓吸附技術(shù)原理

變壓吸附技術(shù)是建立在吸附質(zhì)與吸附劑之間相互作用基礎(chǔ)上的氣體分離技術(shù)，在周期性壓力變換條件下含有CO2的混合氣體流經(jīng)吸附材料表面時(shí)由于吸附劑對(duì)不同氣體在吸附量、吸附速率、吸附力等方面的差異以及吸附劑的吸附容量隨壓力變化而變化的特性，在加壓時(shí)完成混合氣體的吸附分離，在減壓條件下完成吸附劑的再生。

吸附分離效果同時(shí)受到吸附質(zhì)和吸附劑自身特性的影響。對(duì)于氣體組分而言，在同一種吸附材料表面吸附能力隨吸附質(zhì)的沸點(diǎn)和臨界溫度的增高（或相對(duì)分子質(zhì)量的增加）而增大，隨極性的降低而降低。吸附劑的良好吸附性能同樣受到自身物理特性的影響。吸附材料細(xì)孔愈多，則孔容愈大，比表面也大，則有利于吸附質(zhì)的吸附。吸附材料的表面酸堿性對(duì)于異性氣體分子吸附具有極大的促進(jìn)作用。

2 變壓吸附技術(shù)工藝

2.1 多塔多層變壓吸附

傳統(tǒng)變壓吸附工藝最早是由Skarstrom于1960年提出應(yīng)用于空分制氧的雙塔四步循環(huán)過(guò)程，如圖1所示[9]，該過(guò)程由充壓、吸附、逆向放空以及逆向充洗四步組成。工業(yè)上為了提高CO2回收率、產(chǎn)率、純度并實(shí)現(xiàn)連續(xù)化運(yùn)行，基于Skarstrom循環(huán)模式的不斷改進(jìn)，發(fā)展了4~12塔的多塔循環(huán)變壓吸附工藝。Zhang等[10]以3塔變壓吸附裝置對(duì)煙氣中CO2捕集進(jìn)行研究，對(duì)比了循環(huán)步驟對(duì)分離效果的影響，發(fā)現(xiàn)3塔吸附條件下適度增加循環(huán)步驟可以提高CO2純度。Reynolds等[11]采用5塔變壓吸附工藝對(duì)CO2進(jìn)行回收和純化，經(jīng)過(guò)逆向減壓的五步重回流后，CO2純度可達(dá)98.7%，回收率也在98%以上。通過(guò)增加吸附塔數(shù)量?jī)?yōu)化循環(huán)步驟對(duì)于干燥和低水含量混合氣源中CO2的捕集取得了顯著成效。

圖1 Skarstrom循環(huán)過(guò)程

近年來(lái)，隨著《全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)市場(chǎng)建設(shè)方案（發(fā)電行業(yè)）》的引發(fā)，為推動(dòng)電力行業(yè)的低碳發(fā)展，圍繞燃煤電廠濕度高、流量大、CO2分壓低的煙道氣捕集引發(fā)了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛研究，并開(kāi)發(fā)了多塔多層變壓吸附工藝。多塔多層變壓吸附過(guò)程即是在多個(gè)吸附塔循環(huán)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將吸附床層由通常的單床層單一吸附材料填充轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔酱矊?、多種吸附材料配合填充形式，不僅進(jìn)一步提高了CO2回收率、純度、操作能耗，而且極大程度上避免了水汽對(duì)高效能CO2吸附材料的影響。Li等[12]在雙層變壓吸附的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用活性氧化鋁F200和CDX作為預(yù)吸附層，13X分子篩作為主吸附層對(duì)吸附柱進(jìn)行填充，形成的F200/CDX/13X三層變壓吸附工藝(如圖2所示)，對(duì)水體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8.5%的高濕混合氣源中的CO2進(jìn)行捕集。通過(guò)F200截留大部分水汽及CDX的二次截留作用，消除水汽13X分子篩的影響充分發(fā)揮13X分子篩對(duì)CO2的吸附能力，單管測(cè)試結(jié)果顯示CO2回收率達(dá)到58.2%，純度為52.45%，吸附產(chǎn)能達(dá)到128 g CO2·h-1，采用多塔及全流程吸附，產(chǎn)品純度及性能還能夠進(jìn)一步提升。

圖2 雙層和三層變壓吸附[12]

2.2 變溫變壓吸附

變溫變壓吸附是變溫吸附與變壓吸附兩種工藝進(jìn)行耦合的吸附工藝。與單獨(dú)進(jìn)行的變壓吸附和變溫吸附相比，變溫變壓吸附工藝能夠通過(guò)對(duì)溫度與壓力的協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在降低真空壓力與脫附溫度的同時(shí)，更高效的實(shí)現(xiàn)吸附劑再生，顯著降低真空泵能耗及熱能消耗，具有更好的經(jīng)濟(jì)性。Ishibashi等[13]采用變溫變壓耦合工藝針對(duì)電廠煙氣中的CO2進(jìn)行捕集，在CO2純度達(dá)到99%的同時(shí)回收率能夠達(dá)到90%。此外，利用電廠余熱為變溫變壓吸附過(guò)程提供熱能促使吸附材料再生，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總體捕集成本可下降20%以上。

3 吸附材料

吸附材料作為變壓吸附技術(shù)的核心，對(duì)于整個(gè)吸附過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性及可行性具有極為重要的影響。到目前為止，已經(jīng)涌現(xiàn)了多種不同類(lèi)型的高效CO2吸附材料，以下就根據(jù)CO2分子與吸附材料吸附之間主要作用方式區(qū)分的物理吸附材料和化學(xué)吸附材料進(jìn)行總結(jié)概述。

3.1 物理吸附材料

物理吸附材料主要以范德華力作為主要吸附作用力實(shí)現(xiàn)CO2的捕集分離過(guò)程，通常采用增大材料比表面積、增加微孔分布達(dá)到提高CO2吸附量的目的。這類(lèi)材料主要包括碳基材料、沸石、金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）等。

3.1.1 碳基材料

碳基吸附材料具有較大的比表面積、豐富的孔道結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、表面可調(diào)控疏水性、表面耐酸堿性及易于改性等特點(diǎn)，在氣體分離純化過(guò)程中具有廣泛應(yīng)用[14]。目前，圍繞變壓吸附技術(shù)的CO2捕集碳基吸附材料的研究主要集中在活性炭及碳分子篩等。

活性炭通常是由木材、果核、果殼、煤炭、有機(jī)廢料、高分子聚合物等含碳物質(zhì)進(jìn)行碳化、活化過(guò)程制備，具有極為廣泛且廉價(jià)的原料來(lái)源，是最早應(yīng)用于CO2捕集并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的吸附材料，在捕集理論以及實(shí)踐上都具有較為深入的研究。Sevilla等[15]以淀粉、纖維素、鋸末三種原料作為前驅(qū)體進(jìn)行水熱碳化及KOH活化處理，結(jié)果顯示所形成的的活性炭材料都具有很好的CO2分離和儲(chǔ)存性能，室溫下最高吸附量達(dá)到4.8 mmol·g-1。進(jìn)一步表征測(cè)試發(fā)現(xiàn)，所形成的活性炭物理特性不依賴(lài)于原料的選擇，比表面積都集中在2 200~2 400 m2·g-1。此外，通過(guò)N2吸附測(cè)試發(fā)現(xiàn)制備的三種活性炭材料具有類(lèi)似的吸附等溫線以及孔徑分布，且都均勻分布著1.2 nm左右的微孔，證實(shí)了尺寸在1 nm左右的微孔對(duì)CO2吸附性能的提高具有重要影響。

碳分子篩作為一類(lèi)特殊的微孔碳材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征使其能夠?qū)旌衔镏械腃O2進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分離。Alcaniz等[16]發(fā)展了一種簡(jiǎn)單的碳分子篩制備工藝，以煤焦油瀝青作為前驅(qū)體經(jīng)過(guò)硝化處理在表面形成氧化或氮化配合物，再通過(guò)高溫碳化由表面的氧化或氮化配合物的分解進(jìn)行造孔直接形成塊狀碳分子篩，這種碳分子篩材料相較于商用Takeda 3A碳分子篩而言，表現(xiàn)出了更快的CO2吸附動(dòng)力學(xué)。Wahby等[17]以KOH作為活化劑對(duì)石油瀝青進(jìn)行處理后制備的碳分子篩比表面積高達(dá)3 100 m2·g-1，對(duì)CO2表現(xiàn)出了很高的選擇性吸附能力，在273Ｋ和0.1 MPa條件下，CO2吸附容量高達(dá)8.63 mmol·g-1，而且在CO2/CH4混合氣中對(duì)CO2的選擇性達(dá)到100%。Wilson等[18]以聚偏二氯乙烯為原料開(kāi)發(fā)的孔徑分布＜1 nm的碳分子篩材料在室溫條件下CO2吸附容量為4.5 mmol·g-1，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的變壓吸附裝置上對(duì)煙道氣CO2進(jìn)行捕集，結(jié)果顯示CO2回收率達(dá)到97%，純度也在98%以上。

3.1.2 沸石材料

沸石是一類(lèi)由TO4四面體(T=Si或Al)按周期性排列而成的多孔結(jié)晶鋁硅酸鹽，由于其獨(dú)特的分子篩分性能而被廣泛應(yīng)用于分離領(lǐng)域[19]。在這些硅酸鹽分子篩材料中鋁原子的存在能夠引入負(fù)電荷補(bǔ)償孔隙空間中可交換的陽(yáng)離子(通常為堿金屬或堿土金屬陽(yáng)離子)，而通過(guò)這些陽(yáng)離子的交換可實(shí)現(xiàn)對(duì)沸石晶體孔道尺寸及吸附特性的調(diào)控。

沸石分子篩能夠?qū)崿F(xiàn)混合氣中CO2的吸附分離是由于CO2分子具有較大的四極矩，可以與沸石孔道空間結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)離子形成強(qiáng)烈的電場(chǎng)相互作用。通常，氣體在沸石分子篩上吸附容量的順序?yàn)镃O2＞N2＞CH4＞H2。對(duì)于絲光沸石、鎂堿沸石、菱沸石等各種天然沸石及4A、5A和13X等合成沸石對(duì)于CO2和N2混合氣中CO2的吸附性能研究結(jié)果顯示，菱沸石和13X沸石分子篩具有更好的選擇性吸附性能，并且表明具有最大比表面積及最高Na含量的沸石具有更快的CO2吸附速率。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)在沸石結(jié)構(gòu)中引入半徑更大、正電價(jià)態(tài)越高的陽(yáng)離子能夠進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)CO2的吸附能力[20]。Zhang等[21]將制備的菱沸石（CHA）（Si/Al＜2.5）分別進(jìn)行堿性金屬（Li、Na和K）及堿土金屬（Mg、Ca和Ba）離子交換后針對(duì)煙道氣中CO2捕集研究發(fā)現(xiàn)，Na-CHA和Ca-CHA在高溫下（＞100 ℃）具有吸附優(yōu)勢(shì)，而NaX分子篩在低溫條件下表現(xiàn)出更好的吸附性能。Katoh等[22]以離子交換的M-ZSM-5（M=Li、Na、K、Rb和Cs）為吸附材料針對(duì)CO2和N2混合氣的吸附研究發(fā)現(xiàn)，CO2分子與孔道空間中的陽(yáng)離子位具有強(qiáng)烈的相互作用。

3.1.3 金屬有機(jī)骨架材料

金屬有機(jī)骨架材料（MOFs）是有金屬離子或團(tuán)簇與有機(jī)配體通過(guò)配位作用自組裝形成的一類(lèi)極具潛力的吸附劑材料，相較于多孔沸石和活性炭而言，具有比表面積大、孔隙率高、有機(jī)配體種類(lèi)多可修飾、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可控性強(qiáng)以及晶體密度低等優(yōu)勢(shì)，在CO2吸附領(lǐng)域已進(jìn)行廣泛而深入的研究。

在中心金屬及配體種類(lèi)對(duì)CO2吸附影響的研究方面，Yazaydin等[23]在10 kPa、293~298 K的測(cè)試條件下對(duì)比分析了14種MOFs材料的CO2吸附性能，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)以2,5-二氧-1,4-苯雙羧酸（DOBDC）作為配體形成的MDOBDC（其中M為 Zn、Mg、Ni、Co）材料具有更高的CO2選擇性吸附能力。此外，MDOBDC材料中MgDOBDC材料具有最高的CO2吸附容量能夠達(dá)到5.95 mmol·g-1，且對(duì)CO2的選擇性吸附能力按中心金屬M(fèi)g＞Ni＞Co＞Zn變化，且造成差異的原因是由于金屬中心與配體中氧元素之間形成的具有離子鍵特性的M-O鍵鍵長(zhǎng)引起的。

在孔道結(jié)構(gòu)調(diào)控方面，Maspoch等[24]分別以未功能化和甲基功能化的含氮配體與Zn離子進(jìn)行配合，分別制備了TMU-4和TMU-5兩種具有類(lèi)似BET比表面積但孔徑尺寸不同的三維多孔MOFs材料。CO2吸附測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有較小孔道尺寸的TMU-5材料在0~60 kPa的低壓范圍內(nèi)具有更高的CO2選擇性吸附能力，達(dá)到32.71 cm3·g-1。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，相較于TMU-4而言，TMU-5材料對(duì)CO2具有更高的吸附熱。證實(shí)了孔道尺寸CO2的吸附熱間存在的關(guān)系，降低孔道尺寸能夠提高吸附熱從而促進(jìn)CO2的選擇性吸附。

3.2 化學(xué)吸附材料

對(duì)于物理吸附材料的研究雖然取得了顯著的進(jìn)展，但也面臨著依賴(lài)較弱的范德華作用力導(dǎo)致低壓條件下物理吸附材料對(duì)多組分混合氣源中CO2的吸附選擇性較差的問(wèn)題。近年來(lái)，采用多孔材料表面進(jìn)行功能化修飾實(shí)現(xiàn)以化學(xué)鍵力從多組分氣源中捕集酸性CO2氣體的化學(xué)吸附材料引起了人們的注意，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ奶疾都牧现弧?/p>

3.2.1 氨基功能化多孔材料

以液體有機(jī)胺為吸收劑的化學(xué)吸收法作為燃燒后CO2捕集的重要方法之一，對(duì)CO2具有較大的吸附容量和高效的選擇性，在碳捕集領(lǐng)域早已有廣泛的關(guān)注度。但由于存在吸收劑具有腐蝕性、運(yùn)行過(guò)程中溶劑損耗大、抗氧化降解和熱降解能力差、環(huán)境污染嚴(yán)重、再生能耗高等問(wèn)題限制了其大規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)，以碳材料、沸石、MOFs等具有較大比表面積的多孔材料作為基體表面負(fù)載或接枝有機(jī)胺進(jìn)行功能化引入氨基等堿性基團(tuán)，不僅具有環(huán)境友好無(wú)腐蝕等優(yōu)勢(shì)而且能夠顯著提高CO2的吸附選擇性[25]。

碳材料功能化方面，Dai等[26]分別以100~200 μm和850~1 000 nm的介孔碳微米球和介孔碳納米球（MCNs）為基體，以浸漬聚乙烯亞胺和接枝乙二胺兩種功能化手段進(jìn)行處理。通過(guò)CO2吸附測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于介孔碳微米球而言浸漬聚乙烯亞胺和接枝乙二胺對(duì)其性能都有所提高，但是兩種功能化方式處理方式的提高幅度沒(méi)有明顯差別，說(shuō)明兩種功能化手段具有同等效用。介孔碳納米球由于具有更高的比表面積，能夠使聚乙烯亞胺得到更大程度的分散，充分發(fā)揮胺基的捕集能力，表現(xiàn)出更高的CO2吸附能力和選擇性，在75 ℃，聚乙烯亞胺負(fù)載量為4%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)獲得CO2的最大吸附量達(dá)到1.97 mmol·g-1。Atta-Obeng等[27]以木質(zhì)素作為原料制備多孔碳后采用聚乙烯亞胺進(jìn)行功能化修飾。結(jié)果發(fā)現(xiàn)功能化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%聚乙烯亞胺的碳材料相較于原始碳材料能夠提高0.5 mmol·g-1的CO2吸附量，并且證實(shí)了比表面積和聚乙烯亞胺進(jìn)行功能化是提高CO2吸附性能的控制因素。

沸石材料功能化方面，Dindi等[28]以粉煤灰作為原料制備了灰霞石型沸石后以3-氨基丙基三乙氧基硅烷、乙醇胺及二乙醇胺進(jìn)行功能化修飾，表征測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功能化修飾后形成的吸附材料由于胺對(duì)孔道的填充會(huì)導(dǎo)致比表面積顯著下降，然而卻能夠顯著提高CO2的吸附容量和選擇性。此外，進(jìn)一步對(duì)比三種胺對(duì)CO2吸附的影響發(fā)現(xiàn)，3-氨基丙基三乙氧基硅烷功能化吸附材料不僅具有較好的CO2吸附能力而且在高溫吸附條件下具有很好的長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)穩(wěn)定性。Du等[29]對(duì)比分析了ZSM-5和四乙基五胺功能化修飾的ZSM-5在40~100 ℃范圍內(nèi)CO2的吸附容量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ZSM-5的吸附量隨溫度升高吸附量逐漸下降，四乙基五胺功能化后的材料與之呈現(xiàn)相反趨勢(shì)隨著溫度升高吸附容量會(huì)顯著增加，且功能化過(guò)程中四乙基五胺用量為7 g時(shí)形成的ZT7吸附材料具有較高的吸附量，100 ℃條件下達(dá)到最高吸附容量1.80 mmol·g-1。

金屬有機(jī)框架材料功能化方面，Hatton等[30]以Mg-MOF-74作為基體采用四乙基五胺進(jìn)行功能化修飾，結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)修飾后的吸附材料由于多元胺提供了額外的CO2結(jié)合位點(diǎn)，顯著提高了CO2的選擇性吸附能力。此外還發(fā)現(xiàn)，多元胺的功能化程度對(duì)純CO2吸附和CO2與水汽混合氣源中CO2的吸附具有重要影響。

3.2.2 聚合離子液體吸附材料

離子液體作為一種揮發(fā)性低、熱穩(wěn)定性好、不易降解、CO2溶解度高的可調(diào)控有機(jī)鹽，在過(guò)去的幾十年里受到了廣泛的關(guān)注，但由于其較高的黏度，嚴(yán)重限制了CO2捕集方面的應(yīng)用[31]。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外科研人員的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)將離子液體插入到聚合物網(wǎng)格中形成的一種新型聚合離子液體吸附材料不僅兼具離子液體和聚合物的特性，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和加工性能，同時(shí)在CO2吸附分離方面表現(xiàn)出比單體更為優(yōu)越的CO2吸收能力和選擇性，吸附/解吸過(guò)程更快且完全可逆[32]。

Morozova等[33]合成了一系列的聚氨酯基離子液體吸附材料證實(shí)了聚離子液體吸附材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及CO2吸附性能，特別是插入二奎寧基陽(yáng)離子和 CH3COO或BF4陰離子的聚氨酯離子液體吸附材料在0 ℃、0.1 MPa條件下具有最高的CO2吸附量達(dá)到18.25和24.76 mg·g-1。Li等[34-35]報(bào)道的以季銨為主的聚合離子液體表現(xiàn)出較高的CO2吸附能力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步以類(lèi)似的N,N,N’N’-四甲基-1,3-丙二胺與交聯(lián)劑通過(guò)季銨化和自由基聚合反應(yīng)合成了新的季銨基聚合離子液體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)冷凍干燥制備的聚合離子液體具有一定程度的結(jié)晶性，CO2吸附量達(dá)到236 mg·g-1，而且在CO2/CO混合氣中對(duì)CO2具有很高的選擇性。

4 結(jié)束語(yǔ)

人為CO2排放引發(fā)的溫室效應(yīng)在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了極大的影響，引起了各國(guó)政府的高度重視，推動(dòng)了CCUS技術(shù)的快速發(fā)展，其中作為重要的燃燒后CO2捕集技術(shù)的變壓吸附技術(shù)也受到了空前的重視?；诖耍疚木徒陙?lái)變壓吸附技術(shù)的多塔多層工藝和變溫變壓吸附工藝及適用于變壓吸附技術(shù)的物理吸附材料和化學(xué)吸附材料研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述與探討。盡管目前在吸附工藝和吸附材料的研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是針對(duì)大規(guī)模應(yīng)用而言，吸附過(guò)程的能耗以及高性能吸附材料合成所需的高額投入，仍是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)亟待解決的問(wèn)題。

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Research Progress of Pressure Swing Adsorption Technology and Adsorption Materials for Carbon Capture

1,1,1,1*,1,1,2,2

（1. Guodian New Energy Technology Research Institute, Beijing 102209, China;2. North China Electric Power University, Beijing 102206, China）

As an important gas separation method, pressure swing adsorption technology has obvious advantages in the process of postcombustion carbon capture. In this paper, the principle of pressure swing adsorption technology and two derivative technologies including multi-layer adsorption, temperature and pressure swing adsorption were analyzed in detail. The research progress of physical adsorption materials wasintroduced,such as carbon based materials, zeolite, metal organic framework, amino modified porous materials, polymeric ionic liquid and so on. On this basis, the existing problems of PSA in carbon capture were discussed.

Carbon capture; Pressure swing adsorption; Adsorption mechanism; Physical adsorption; Chemical adsorption

國(guó)家能源集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019E1PU00100）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2019YFB1505000）。

2020-07-01

高騰飛（1988-），男，中級(jí)工程師，博士，北京市人，2019年畢業(yè)于北京化工大學(xué)，研究方向：碳捕集與轉(zhuǎn)化技術(shù)。

徐冬（1982-），男，高級(jí)工程師，博士，研究方向： CCUS 及氫能技術(shù)。

TQ028.1+5

A

1004-0935（2020）11-1389-06