用于二氧化碳捕獲的固體吸附劑研究概述

娜斯曼·吐爾遜

（新疆師范大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 CO2 捕獲技術簡介

隨著CO2的過度釋放，導致大自然自身的CO2凈化能力正在急劇下降[1]。CO2體積分數(shù)已從280×10-6上升到400×10-6，全球表面溫度增加0.8 ℃[2]，最新的CO2體積分數(shù)更是達到408.8×10-6[3]。Leung 等[4]通過數(shù)據(jù)分析預測到截至21 世紀末，CO2平均體積分數(shù)將再次升高到達600×10-6～700×10-6，且全球平均溫度將再次升高4.5 ℃～5.0 ℃。如果全球森林覆蓋面積都得到有效恢復，也就只能減輕每年全球CO2排放量的11%[5]。因此，對目前現(xiàn)有的高濃度CO2，最迫切的需求就在于積極開發(fā)基于CO2捕獲和儲存（CCS）的新技術[6]。

CO2捕獲是指燃燒后的煙氣通過分離設備以得到濃度較高的CO2的過程。在燃燒過程中形成CO2，燃燒過程的類型直接影響到適當?shù)腃O2去除過程的選擇。CO2捕獲技術已實現(xiàn)市場化，但通常很昂貴，包括捕獲、運輸和儲存費用在內(nèi)，其成本占整個CCS 系統(tǒng)總成本的70%～80%[7]。因此，降低成本和減少能源消耗是需要解決的主要問題。目前，燃燒前捕獲，燃燒后捕獲及富氧燃燒是主要的CO2捕獲技術。

2 用于CO2 捕獲的固體吸附劑

2.1 物理吸附劑

2.1.1 活性炭類吸附劑

活性炭對CO2的吸附屬于物理吸附，但由于溫度過高反而不利于吸附，因此放熱反應不利于活性炭對于CO2的吸附。Guo 等[8]制備出PEI/AC、K2CO3/AC、PEI-K2CO3/AC 等活性炭基吸附劑，也因上述內(nèi)容表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸附性能。其中，堿金屬活性炭三元復合物PEI-K2CO3/AC 的CO2吸附性能最好，它的選擇性增大、耐水性升高，吸附量可以達到3.6 mmol/g。提高活性炭材料在低壓下的吸附能力以及分離選擇性是目前研究的重點[9]。

2.1.2 其他物理吸附劑

物理吸附劑除了活性炭吸附劑，常用的還有分子篩吸附劑和金屬氧化物吸附劑。眾所周知，沸石分子篩主要以堿金屬和堿土金屬氧化物的結(jié)晶組成的硅鋁酸鹽。它的結(jié)構(gòu)差異可以使孔隙大小有不同程度的變化，從而可達到對不同分子大小物質(zhì)的分離。沸石分子篩吸附劑用處很多，但常用在氣體分離和凈化中，比如空氣制氮、CO2的分離與純化等。溫度越高，吸附能力越低。Lila 等[10]已經(jīng)研究了用ASRT 5A 分子篩吸附除去太空艙中的CO2，與25 ℃時作比較，175 ℃時的吸附量只有之前的24%。可以看出，其吸附量也是隨著溫度的升高而降低。

2.2 化學吸附劑

2.2.1 鈉基吸附劑

CO2捕獲技術中，鈉基吸附劑因再生溫度和價格低而廣受歡迎。據(jù)最新碳酸鈉基吸附劑研究報道，為了改善碳酸鈉基吸附劑對CO2的捕獲性能，用對苯二甲酸和NaOH 制備出了Na2CO3-碳納米復合材料以及測定了該吸附劑反應速率和再生溫度。經(jīng)過10 個循環(huán)的CO2捕獲實驗，吸附劑表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，捕集CO2的速度比Na2CO3快，CO2吸附量達到220 mg/g～230 mg/g，可在提高反應速率和降低再生溫度的條件下能有效地捕集CO2[11]。

2.2.2 鉀基吸附劑

鉀基吸附劑，除具備堿金屬基吸附劑成本低，無腐蝕和二次污染等優(yōu)點外，表現(xiàn)出了優(yōu)越的反應性，耐用性和轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)勢[11]。

Lee 等[13]使用鉀基吸附劑，通過在不同載體如活性炭（AC），TiO2，Al2O3，MgO，SiO2和各種沸石上浸漬碳酸鉀制備出吸附劑，在不同溫度條件下的多次循環(huán)期間（在333K 下捕獲CO2，并在403 K～673 K 下再生），固定床反應器中在水存在下測量CO2捕獲能力和再生性質(zhì)。圖1 顯示了吸附劑的總CO2捕獲容量。

圖1 不同的吸附材料的CO2 吸附量[12]

最新K2CO3基吸附劑研究報道顯示，為了改善K2CO3基吸附劑對CO2捕獲性能，制備出了K2CO3-碳納米復合材料以及測定了該吸附劑反應速率和再生溫度。經(jīng)過10 個循環(huán)的CO2捕獲實驗，它表現(xiàn)出穩(wěn)定性，捕集CO2的速度比K2CO3快，CO2吸附量達到166 mg/g～210 mg/g。

3 結(jié)論與展望

因為化石燃料仍然是主要的能源來源，CO2捕獲與封存技術將成為緩解大氣溫室氣體濃度的主要選擇。作為一種減少CO2排放新技術，CO2捕獲和封存仍有不足之處需要不斷研究完善。本文綜述了各種吸附劑對于CO2的吸附研究概況。雖然各類吸附劑在CO2捕獲中各有千秋，但未完全滿足當前節(jié)能減排對高效低成本吸附劑開發(fā)的迫切需求。對比可知，這些吸附劑當中堿金屬吸附劑包括碳酸鈉基和碳酸鉀基復合吸附劑捕獲CO2的速度比Na2CO3和K2CO3快，但具有繼續(xù)研究的空間。例如，反應速率慢或吸附劑再生的成本高等使得此類材料應用出現(xiàn)局限性。同時節(jié)能減排的前提下發(fā)展利用吸收的CO2制備出附加值更高的吸附材料也很重要。因此尋找具有高效吸附能力、低成本，無污染的吸附劑是今后研究的重點。活性炭吸附劑是固體吸附劑當中應用最多且性能較佳的吸附劑，在今后的研究中有望作為載體與Na2CO3、K2CO3或二者的碳納米復合材料相結(jié)合成為多元復合吸附劑，提供更強吸附性能，其研究前景更為廣泛。