摘要：隨著全球工業(yè)化和城市化進(jìn)展的不斷加劇，二氧化碳（CO2）的排放量急劇增加，已經(jīng)成為全球氣候變化的主要原因之一。為了減少大氣CO2的含量，吸附技術(shù)作為一種有效的CO2捕集與分離方法備受關(guān)注。鑒于此，對不同固體吸附材料吸附CO2的研究進(jìn)展分析是十分有必要的。首先，對固體材料進(jìn)行了分析，然后通過實(shí)驗(yàn)的方式對不同的固體吸附材料進(jìn)行CO2吸附研究。隨后介紹了當(dāng)前已經(jīng)有的研究成果和最新的研究成果。最后對固體吸附材料吸附CO2的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：固體吸附材料CO2吸附表面功能吸附原理

中圖分類號(hào)：TQ424

ResearchProgressonCO2AdsorptionbyDifferentSolidAdsorptionMaterials

SHITaohong

SchoolofEnvironmentandBiotechnology，NantongCollegeofScienceandTechnology，Nantong，JiangsuProvince，226007China

Abstract：Withthecontinuousintensificationofglobalindustrializationandurbanization，theemissionsofcarbondioxide（CO2）havesharplyincreased，becomingoneofthemaincausesofglobalclimatechange.InordertoreducethecontentofatmosphericCO2，AdsorptiontechnologyhasattractedmuchattentionasaneffectivemethodforCO2captureandseparation.Inviewofthis，itisnecessarytoanalyzetheresearchprogressofCO2adsorptionbydifferentsolidadsorptionmaterials.Inthisarticle，firstly，thesolidmaterialsareanalyzed，andthenCO2adsorptionstudiesareconductedondifferentsolidadsorptionmaterialsthroughexperiments.Subsequently，theexistingresearchresultsandthelatestonesareintroduced.Finally，thefuturedevelopmentofsolidadsorptionmaterialsforCO2adsorptionisdiscussed.

KeyWords：Solidadsorptionmaterials;CO2adsorption;Surfacefunction;Adsorptionprinciple

隨著CO2溫室效應(yīng)日趨嚴(yán)重，有效的CO2捕集與分離技術(shù)的作用日益凸顯。鑒于此，本文綜合分析了當(dāng)前不同固體吸附材料在CO2吸附方面的研究進(jìn)展。討論了不同固體吸附材料的種類和特性，并通過對比分析對不同固體吸附材料對CO2的吸附效果進(jìn)行了研究。旨在為CO2的捕集和分離提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，為全球碳減排和氣候變化提供新的思路和方法。

1固體吸附材料分析

1.1固體吸附材料的類型及原理

固體吸附材料的類型可分為物理吸附材料和化學(xué)吸附材料，其中物理吸附材料是指吸附劑和吸附物之間主要通過范德華力進(jìn)行作用的吸附過程。在物理吸附下，吸附劑和吸附分子之間沒有共價(jià)鍵的形成，吸附是一個(gè)可逆的過程。物理吸附通常發(fā)生在低溫下和較低的吸附壓力下。化學(xué)吸附材料是指吸附劑和吸附物之間形成了化學(xué)鍵的吸附過程。化學(xué)吸附通常比物理吸附更具選擇性，吸附劑對吸附物有更強(qiáng)的親和力[1]。

1.2常見固體吸附材料分析

固體吸附材料有很多，本文選擇了市面上主流的吸附材料進(jìn)行原理分析，包括活性炭、活性氧化鋁及氨基改性材料。

活性炭是一種常用的固體吸附材料，它獨(dú)特的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，使它在氣體吸附、水處理、廢氣凈化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它的吸附原理主要體現(xiàn)在物理吸附、化學(xué)吸附、碘吸附值、表面功能團(tuán)4個(gè)方面。其吸附原理中的碘吸附值與表面功能團(tuán)是比較特殊的?；钚蕴康奈叫阅芡ǔＭㄟ^碘吸附值來評價(jià)，即單位質(zhì)量的活性炭吸附碘的量。碘吸附值與活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，活性炭的碘吸附值通常越高，吸附性能也就越好。而活性炭的表面功能團(tuán)對其吸附性能也有重要影響。不同類型的功能團(tuán)會(huì)與不同種類的污染物產(chǎn)生特定的相互作用，影響吸附效果[2]。

活性氧化鋁是一種由氧化鋁為主要成分的多孔材料，其形式有球形、顆粒狀和顆粒柱狀3種。它常用去除水中重金屬離子、有機(jī)污染物、氣體中的氣體污染物等。它的吸附原理主要體現(xiàn)在范德華力吸附、化學(xué)吸附、離子交換、氫鍵作用4個(gè)方面，其吸附原理中離子交換與氫鍵作用是比較特殊的。在一些情況下，氧化鋁的表面活性位點(diǎn)可能表現(xiàn)出離子交換的能力。當(dāng)存在帶電離子的吸附分子與氧化鋁表面接觸時(shí)，它們可以通過離子交換作用，將表面活性位點(diǎn)中的離子釋放出來，同時(shí)將其自身帶電離子吸附到表面上。而氫鍵作用是指氧化鋁表面的羥基具有氫鍵供體的作用，可以與一些具有氫鍵受體性質(zhì)的分子形成氫鍵作用。它會(huì)增強(qiáng)吸附分子在氧化鋁表面的吸附能力，尤其在液態(tài)吸附中具有重要作用。

2固體吸附材料對CO2的吸附實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)驗(yàn)的目的是比較活性炭、活性氧化鋁和氨基改性材料的固體吸附性能，包括吸附CO2的量和速度、CO2選擇性能以及再生能力。通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可以評估不同材料對CO2的吸附效果，并為尋找更有效的CO2減排材料提供參考和依據(jù)。

2.2實(shí)驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備具體敘述如下。（1）活性炭、活性氧化鋁和氨基改性沸石基材料：高純度的活性炭、活性氧化鋁和氨基改性沸石基材料，并將材料制備成均勻顆粒狀的實(shí)驗(yàn)樣品。（2）CO2氣源：裝有高純度的CO2氣體的氣瓶，并且對氣瓶進(jìn)行檢查，確保閥門正常，并準(zhǔn)備好安全操作CO2氣源所需的管道和其他連接裝置。（3）混合氣體：裝有CO2、N2和CH4的氣瓶。（3）實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備：吸附裝置、量熱計(jì)、分析天平3種設(shè)備，并且在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行必要的校準(zhǔn)。（4）實(shí)驗(yàn)條件控制設(shè)備：恒溫槽和真空泵設(shè)備。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置溫度為常溫20～140℃下進(jìn)行，壓力在常規(guī)壓力下進(jìn)行。（5）安全設(shè)備：實(shí)驗(yàn)操作所需的防護(hù)眼鏡、實(shí)驗(yàn)室外套、手套等安全設(shè)備。

2.3實(shí)驗(yàn)說明

本次實(shí)驗(yàn)分為吸附實(shí)驗(yàn)、CO2選擇性實(shí)驗(yàn)、再生能力實(shí)驗(yàn)。其中吸附實(shí)驗(yàn)從常溫20℃起進(jìn)行3種材料的效果進(jìn)行對比分析，實(shí)驗(yàn)總共有六次，它們分別在常溫20℃、50℃、80℃、100℃、120℃、140℃進(jìn)行。CO2選擇性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一次，再生能力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一次。

2.4實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1吸附實(shí)驗(yàn)

（1）準(zhǔn)備吸附裝置，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別放入活性炭、活性氧化鋁和氨基改性材料樣品。

（2）將各樣品暴露于CO2氣源下，開始吸附實(shí)驗(yàn)。

（3）在常溫20℃、50℃、80℃、100℃、120℃、140℃分別進(jìn)行6次吸附實(shí)驗(yàn)，記錄每次實(shí)驗(yàn)的吸附量和吸附速度。

2.4.2CO2選擇性實(shí)驗(yàn)

（1）準(zhǔn)備混合氣體氣瓶，包含CO2、N2和CH4。

（2）將混合氣體通入吸附裝置中，進(jìn)行CO2選擇性實(shí)驗(yàn)。

（3）記錄各氣體被吸附的量，評估各材料的CO2選擇性能。

2.4.3再生能力實(shí)驗(yàn)

（1）對已吸附CO2的樣品通過真空泵設(shè)備進(jìn)行再生處理，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽O2從吸附劑中釋放出來。

（2）測量再生后吸附劑的性能參數(shù)，如再生后的吸附效率等。

2.4.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主題主要有5個(gè)方面：吸附量分析、吸附速度分析、CO2選擇性分析、再生能力分析、綜合性能評估。其中綜合性能評估是指將吸附量、吸附速度、選擇性能和再生能力等數(shù)據(jù)綜合考慮，評估3種材料在CO2捕獲方面的綜合性能。提出結(jié)論并建議最適合用于CO2減排的材料。

2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)論

2.5.1吸附量

在不同溫度下，3種材料對CO2的吸附量存在明顯差異?；钚蕴吭诘蜏叵卤憩F(xiàn)出色，吸附量較高；而隨著溫度升高，其吸附量呈現(xiàn)下降趨勢。相比之下，活性氧化鋁和氨基改性材料在高溫下展示出更好的吸附性能，尤其是在高溫條件下，氨基改性材料表現(xiàn)出色，吸附量明顯超過其他兩種材料。

2.5.2吸附速度

活性炭吸附速度較快，但隨著溫度升高，吸附速度下降明顯；活性氧化鋁和氨基改性材料吸附速度相對穩(wěn)定，且活性氧化鋁在吸附速度上略優(yōu)于氨基改性材料。

2.5.3CO2選擇性

在CO2選擇性方面，活性炭、活性氧化鋁和氨基改性材料均具有一定的CO2選擇性，但以氨基改性材料為最佳，其對CO2的選擇性能力最強(qiáng)。

2.5.4再生能力

活性炭的再生能力較差，再生后的吸附效率明顯下降；活性氧化鋁和氨基改性材料則表現(xiàn)出較好的再生能力，再生后的吸附效率保持較高水平。

2.5.5綜合性能

CO2吸附方面，氨基改性材料表現(xiàn)最佳，具有較高的吸附量、穩(wěn)定的吸附速度、良好的CO2選擇性和優(yōu)秀的再生能力。

3成果研究綜述

在固體吸附材料吸附CO2的研究過程中，每年都會(huì)有很多研究者對其研究并發(fā)表相關(guān)研究成果。例如：2021年的研究成果《一種新型TEPA負(fù)載或PEI負(fù)載Beta/KIT-6復(fù)合材料及其在CO2吸附中的應(yīng)用》，該研究利用非離子三嵌段共聚物普朗尼克作為模板，原硅酸四乙酯為硅源，合成了一種胺改性的CO2捕獲復(fù)合材料[3]；2022年的研究成果《沸石-粉煤灰-礦渣復(fù)合多孔材料的制備及性能：CO2吸附性能和力學(xué)性能》，該研究利用堿性固體廢棄物制備多孔材料以吸附CO2，以解決溫室氣體排放引起的環(huán)境問題[4]；2023年的研究成果《介孔氮化碳負(fù)載MgO，可增強(qiáng)CO2捕獲》，該研究采用簡單工藝制備了一系列不同MgO含量的MgO負(fù)載介孔氮化碳吸附劑，并測試它們在大氣壓下捕獲CO2的性能[5]。當(dāng)然，最新文獻(xiàn)研究成果有很多，其中研究成果《K2CO3促進(jìn)的層狀雙氫氧化物衍生吸附劑的動(dòng)態(tài)中溫CO2吸附性能》是2024年3月7日由LIRuotong、HUXixuan、HUANGLiang、NicholasMuleiMusyoka、XUETianshanXue、WANGQiang發(fā)表的，具有較大價(jià)值，該研究使用了MgAl-LDH、K2CO3/MgAl-LDH和K2CO3/MgAl-LDH（C16）作為吸附劑[6]。

4展望固體吸附材料吸附CO2的未來發(fā)展

固體吸附材料吸附CO2對全球氣候變化、減少大氣CO2排放、CO2的資源碳循環(huán)利用等起著重要的作用。因此，在未來應(yīng)從提高固定吸附材料的CO2吸附性能為主進(jìn)行研究，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)、研發(fā)多功能復(fù)合材料等，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)、高效及持續(xù)的CO2捕獲效果。只有持續(xù)不斷地改善和發(fā)展，固定吸附材料才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，為人類做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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