“酸水解”合成路径 一网打尽沸石吸附剂碳捕集痛点

2021-07-22 09:32  来源:科技日报  浏览:  

7月19日,记者从南京工业大学获悉,该校材料化学工程国家重点实验室、化工学院王军教授课题组联袂浙江大学、新加坡国立大学,合成自成型含铁丝光沸石吸附剂,破解了沸石分子筛碳捕集痛点,二氧化碳吸附量创新高,可以更精准地吸附二氧化碳,且性能不受水汽影响。近日,该成果在线刊发于国际著名期刊《科学》上。


含铁丝光沸石的合成图以及结构示意图以及筛分CO2, Ar, N2和CH4的示意图  南京工业大学供图

沸石作为一种经典的吸附材料,已经广泛应用于石油化工、气体吸附分离等众多领域,具有适用范围广、成本低、操作简单、循环复用便捷等诸多优点,因而在碳捕集领域备受青睐。

不过,长期以来,沸石等吸附剂在碳捕集中存在吸附容量不高、气体分离比低、不耐水汽、脱附再生能耗高、粘结剂成型后性能下降等问题,影响着它们的使用效率。长期以来,课题组成员一直致力于研究一种新的沸石材料,试图解决这些技术痛点。

“我们逐渐探索形成一种独特的‘酸水解’路径合成方法。这种工艺创制的含铁丝光沸石吸附剂较之以前有两大突破,一是变原来的粉状为高机械强度块状,省却了后续成型工艺,具有典型绿色化工特点;二是独特的孔道结构实现了高效碳捕集。”论文第一作者、南京工业大学教授周瑜说。

他介绍,团队采用“酸水解”的合成路径,经过千百次反复优化,并进行性能测试和结构解析后,得到了一种孔口更小的沸石材料。“二氧化碳直径为0.33纳米,我们的沸石吸附剂孔口尺寸是0.33—0.34纳米,一来可以让二氧化碳进入吸附材料,二来也能阻止甲烷等分子进入,如此一来,这个孔口就成了二氧化碳专属的‘捕集孔’,吸附更精准。”周瑜说。

实验显示,团队合成的含铁丝光沸石吸附剂在25摄氏度、1个大气压条件下,每立方厘米可以吸附219立方厘米二氧化碳,是迄今报道的最高值。同等条件下,用于工业的13X沸石吸附剂,每立方厘米吸附156立方厘米二氧化碳。更重要的是,含铁丝光沸石吸附材料对氩气、氮气、甲烷等表现出良好的筛分能力,其分离比13X沸石吸附剂高出多个数量级。

此外,在分离过程中,气体中若有水汽,有的吸附剂会遇水不稳定。大部分吸附剂亲水,故而分离性能受水汽干扰严重,常常需要先干燥再吸附。而课题组合成的吸附剂,分离性能不受水汽干扰,且循环使用效果较好。

“就能耗而言,13X沸石吸附剂在分离二氧化碳和甲烷的混合气时,回收1公斤二氧化碳需要消耗0.97兆焦能量,而我们的吸附剂每吸附1公斤二氧化碳仅需消耗0.7兆焦能量。”论文的通讯作者、南京工业大学教授王军说,在纯度相同的情况下,课题组合成的吸附剂对二氧化碳的回收率大于95%,甲烷的回收率能从61.9%提升到96.9%。

周瑜表示,这一研究是碳捕集领域的重大突破,具有实际应用潜力,开拓了杂原子沸石分子筛在气体吸附分离领域的新应用。

“碳捕获是降低二氧化碳排放、实现分离回收和综合利用的有效途径,对于实现碳达峰和碳中和目标具有重要意义。”周瑜说,此项研究成果可应用于发电厂燃烧后的二氧化碳捕集、天然气净化、沼气纯化等方面。

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