活性炭和其它吸附二氧化碳的方法

　　温室气体(CO2，CH4，N2O等)是气候变化以及全球变暖的主要原因。由于二氧化碳在大气中停留了很长时间，因此对环境造成了严重的打击。二氧化碳排放量主要与化石燃料的燃烧有关。到2040年，全球能源消耗预计将增长30%。同时，将通过使用化石燃料来提供74%的能源，这对于接下来的75年来说应该足够了。由于大量消耗化石煤作为能源载体，因此不可能减少向大气中排放的二氧化碳。因此，气体排放量将显着增加。因此，有必要寻找减少二氧化碳向环境中排放的方法。收集烟气处理过程中使用的二氧化碳的主要方法有很多。本次我们使用了商业吸附剂和活性炭吸附来提取二氧化碳的方法，研究了活性炭的改性方法及其对二氧化碳吸附的影响。

　　二氧化碳的吸附方法

　　收集二氧化碳的主要方法分为吸收，吸附，低温，膜和微生物学。微生物和低温过程并不广泛。图1显示了使用单乙醇胺吸收的烟道气净化方案。吸附过程在40-60℃的温度和大气压下进行。当达到平衡时，富含CO2的溶液进入再生过程，该过程在100-140°C的温度下进行。然后将溶剂冷却并再循环。该技术被认为是有效的并且广泛使用，但是它具有一些缺点，例如设备腐蚀。另外，由于二氧化碳和单乙醇胺的高相互作用，再生过程以高能耗进行。

　　图1：烟气处理方案。

　　二氧化碳的吸附技术的简化图在图二显示。首先将烟气中的水分，硫和氮氧化物净化。然后，所制备的气体进入使用固态吸附剂的吸附阶段，例如活性炭，沸石，金属有机骨架，多孔聚合物，基于碱金属和胺的碳酸盐的固体材料，碳球等。之后，吸附剂进入解吸阶段，在此阶段释放出富含CO2的气体混合物，然后在压力下将其压缩。该技术的优点是二氧化碳萃取效率高，再生成本低以及吸附剂操作的稳定性。活性炭对CO2和N2的吸附能力很高，具有不同于沸石的大比表面积，并且还可以在潮湿条件下工作。而且，活性炭比沸石具有更低的吸附热，因此它们可以更容易地再生。因此，在25°C和1bar的温度下，活性炭的吸附热为3kJ，而沸石为30kJ。收集二氧化碳的吸附剂质量的重要指标之一是二氧化碳的吸附量。基本上，在静态条件下和动态条件下都进行吸附容量的研究。

　　图2：用于吸附二氧化碳的单乙醇胺吸收方法图。

　　活性炭吸附二氧化碳

　　在动态条件下，将二氧化碳捕集在特殊的固定床反应器中，将活性炭样品放入其中，并使给定成分的气体混合物通过。在这种情况下，控制进出混合物的流速以及反应器中的温度。气相色谱仪用于确定吸附的二氧化碳量。在动态条件下确定吸附活性的实验装置示例如图3所示。为了研究静态条件下活性炭对二氧化碳的吸附过程，使用了自动装置，该装置可以记录在各种温度(25°C和0°C)和最高1atm的压力下的吸附-解吸等温线。可以在设备上通过体积法在1atm以上的压力下吸附CO2。在这种情况下，可以在40至160°C的温度范围内以及最高36atm的压力下进行测量。

快盈VIII　　图3：用于确定活性炭对二氧化碳的吸附能力的实验实验室设置图。

　　活性炭和其他吸附剂对二氧化碳的吸附能力

快盈VIII　　吸附能力取决于活性炭表面上是否存在杂原子(氧，氮)，酸性和碱性官能团，这些杂原子参与了CO2的吸附。通常，为了提高二氧化碳的吸附能力，活性炭通过在其表面包含氮基进行修饰。例如，用三亚乙基四胺改性的活性炭表现出对二氧化碳的高吸附能力。但是，应该注意的是，只有在30-40bar的高压下，此类样品才能在工业环境中运行。从提高相对于作为烟道气一部分的二氧化碳的选择性的角度考虑活性炭的表面改性。由于CO2分子被归类为路易斯酸，因此可以通过化学处理其表面以赋予碱性，从而提高活性炭的选择性。这可以通过使用各种金属的氧化物(例如铜，钴，镍，铁和铬)对活性炭进行改性来实现。在收集二氧化碳过程中最重要的作用是活性炭的微孔结构。为了增加碳材料的孔隙率，使用了原料的物理和化学活化。特别是用氢氧化钾和碳酸钾处理活性炭，通过KOH化学活化获得的活性炭样品。

快盈VIII　　沸石是用于捕获二氧化碳的最广为人知的吸附剂之一。它们是天然和合成材料，并具有孔径为0.5-1.2nm的微孔晶体骨架，形成了对气体分离和纯化很重要的连接通道网络。沸石的吸收能力比活性炭高。然而，为了在工业上使用沸石，需要增加的压力大于2atm。另外，使用沸石的效率随着温度的升高和气体混合物中水分的存在而降低。为了再生废沸石，有必要使用高温。

　　金属有机骨架代表了一类新型的有效固体吸附剂，比表面积非常高。合成金属有机骨架时，可以调节孔的大小和形状。由于在金属有机骨架的结构中形成开放的金属区域，因此可以提高相对于二氧化碳的选择性。在这些区域，由于偶极和四极相互作用的诱导，CO2分子与孔表面结合。但在低压下的吸附能力却很低。金属有机骨架由昂贵的无机配体合成并且缺少机械强度。

快盈VIII　　活性炭和其它吸附二氧化碳的方法重要一点是，被吸附的气体可以进一步用于各种行业，这使得使用活性炭的吸附技术在经济上具有吸引力。因此，目前正在进行大量科学研究，旨在研究二氧化碳的吸附过程。另外，重要的是要注意，在文章中已经研究了各种性质的吸附剂，活性炭对二氧化碳的吸附能力和选择性的研究是一个有前途的科学领域，对于解决全球变暖问题具有重要意义。

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