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“酸水解”合成路徑 一網打盡沸石吸附劑碳捕集痛點

中國經濟新聞網 2021-07-26 16:49:57

  科技日報訊 (記者金鳳 通訊員朱琳 楊芳)7月19日,記者從南京工業大學獲悉,該校材料化學工程國家重點實驗室、化工學院王軍教授課題組聯袂浙江大學、新加坡國立大學,合成自成型含鐵絲光沸石吸附劑,破解了沸石分子篩碳捕集痛點,二氧化碳吸附量創新高,可以更精準地吸附二氧化碳,且性能不受水汽影響。近日,該成果在線刊發于國際著名期刊《科學》上。

  沸石作為一種經典的吸附材料,已經廣泛應用于石油化工、氣體吸附分離等眾多領域,具有適用范圍廣、成本低、操作簡單、循環復用便捷等諸多優點,因而在碳捕集領域備受青睞。

  不過,長期以來,沸石等吸附劑在碳捕集中存在吸附容量不高、氣體分離比低、不耐水汽、脫附再生能耗高、粘結劑成型后性能下降等問題,影響著它們的使用效率。長期以來,課題組成員一直致力于研究一種新的沸石材料,試圖解決這些技術痛點。

  “我們逐漸探索形成一種獨特的‘酸水解’路徑合成方法。這種工藝創制的含鐵絲光沸石吸附劑較之以前有兩大突破,一是變原來的粉狀為高機械強度塊狀,省卻了后續成型工藝,具有典型綠色化工特點;二是獨特的孔道結構實現了高效碳捕集。”論文第一作者、南京工業大學教授周瑜說。

  他介紹,團隊采用“酸水解”的合成路徑,經過千百次反復優化,并進行性能測試和結構解析后,得到了一種孔口更小的沸石材料。“二氧化碳直徑為0.33納米,我們的沸石吸附劑孔口尺寸是0.33—0.34納米,一來可以讓二氧化碳進入吸附材料,二來也能阻止甲烷等分子進入,如此一來,這個孔口就成了二氧化碳專屬的‘捕集孔’,吸附更精準。”周瑜說。

  實驗顯示,團隊合成的含鐵絲光沸石吸附劑在25攝氏度、1個大氣壓條件下,每立方厘米可以吸附219立方厘米二氧化碳,是迄今報道的最高值。同等條件下,用于工業的13X沸石吸附劑,每立方厘米吸附156立方厘米二氧化碳。更重要的是,含鐵絲光沸石吸附材料對氬氣、氮氣、甲烷等表現出良好的篩分能力,其分離比13X沸石吸附劑高出多個數量級。

  此外,在分離過程中,氣體中若有水汽,有的吸附劑會遇水不穩定。大部分吸附劑親水,故而分離性能受水汽干擾嚴重,常常需要先干燥再吸附。而課題組合成的吸附劑,分離性能不受水汽干擾,且循環使用效果較好。

  “就能耗而言,13X沸石吸附劑在分離二氧化碳和甲烷的混合氣時,回收1公斤二氧化碳需要消耗0.97兆焦能量,而我們的吸附劑每吸附1公斤二氧化碳僅需消耗0.7兆焦能量。”論文的通訊作者、南京工業大學教授王軍說,在純度相同的情況下,課題組合成的吸附劑對二氧化碳的回收率大于95%,甲烷的回收率能從61.9%提升到96.9%。

  周瑜表示,這一研究是碳捕集領域的重大突破,具有實際應用潛力,開拓了雜原子沸石分子篩在氣體吸附分離領域的新應用。

  “碳捕獲是降低二氧化碳排放、實現分離回收和綜合利用的有效途徑,對于實現碳達峰和碳中和目標具有重要意義。”周瑜說,此項研究成果可應用于發電廠燃燒后的二氧化碳捕集、天然氣凈化、沼氣純化等方面。

來源:科技日報 編輯: 張麗敏       
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