中國粉體網(wǎng) 為降低大氣中CO2的含量，減緩溫室效應(yīng)，已有多種方式對CO2進行捕集，其中固體吸附劑能夠有效吸附CO2并且具有節(jié)能、腐蝕性較低等優(yōu)勢，所以在當(dāng)今CO2的捕集中具有廣泛應(yīng)用。CO2捕集主要有三種形式，分別為燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集，不同的捕集方式使用的固體吸附劑會存在差異。本文將對固體吸附劑在CO2捕集中的應(yīng)用進行分析。
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在眾多的CO2分離捕獲方法中，吸附（分離）方法是相對技術(shù)成熟而應(yīng)用最多的一種方法。固體吸附劑具有較弱的腐蝕性，而且能耗低，將其應(yīng)用到CO2捕集中具有很好的效果。固體吸附劑的種類較多，分類方式也不盡相同。如：物理吸附與化學(xué)吸附，高溫吸附與低溫吸附等，本文按后者將其分為兩類闡述。
1高溫吸附劑
如氧化鈣、氧化鎂、Li2ZrO3、Li4SiO4等，該類型固體吸附劑之所以稱為高溫吸附劑，是因為能夠在較高的溫度下(600℃)對CO2進行吸附，但其也存在一定的缺陷，如吸附速度較慢，而且再生比較困難。
1.1鋯酸鋰和硅酸鋰吸附劑
鋯酸鋰和硅酸鋰應(yīng)用于CO2捕集時,會與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)捕集的目的，其化學(xué)方程式如下:
鋯酸鋰和硅酸鋰捕集CO2的應(yīng)用較多，國內(nèi)外學(xué)者不斷對這兩種材料進行研究，主要目的在于提高捕集CO2的應(yīng)用效果和吸附速率。
為增加吸附劑的捕集效率，有學(xué)者對高溫吸附劑的合成方法進行研究，探索出兩個結(jié)論。一則，使用固相合成法具有更好的吸附優(yōu)勢，能夠加快CO2的捕集效率，且有利于提高CO2的吸附量。二則，在硅酸鋰中加入不同的金屬元素，能夠更進一步提高CO2的吸附效率和吸附量，且其吸附效率提高約30倍。
雖然Li2ZrO3、Li4SiO4在CO2捕集中有較好的應(yīng)用效果，但由于在制備過程中需要加入過量的鋰元素，而且在捕集CO2時其中的鋰元素會發(fā)生流失，循環(huán)吸附性能降低，且過量鋰元素的加入會提高該吸附劑的制備成本，限制了鋰基吸附劑在CO2捕集中的大規(guī)模應(yīng)用。
1.2氧化鈣吸附劑
氧化鈣吸附劑屬于堿性物質(zhì)，而CO2屬于酸性氣體，所以氧化鈣能較容易的吸附CO2，這兩種物質(zhì)在反應(yīng)過程中會形成碳酸鈣，化學(xué)方程式如下所示：
氧化鈣作為CO2捕集的固體吸附劑，其主要優(yōu)勢在于捕集CO2的效率和量都很高，且獲取氧化鈣的方式方便、制造工藝簡單、成本低廉、能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用，所以在高溫吸附劑中氧化鈣被認為是首選材料。
很多學(xué)者對其應(yīng)用效果進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)捕集轉(zhuǎn)化過程中，碳酸鈣的摩爾體積大于氧化鈣摩爾體積，這使得產(chǎn)物層的微孔被堵塞，導(dǎo)致CO2很難再進入氧化鈣中與其反應(yīng)，最終結(jié)果將會降低氧化鈣的轉(zhuǎn)化效率。
2低溫吸附劑
如活性炭、碳納米材料、MOFs等，該類型的材料除不能在較高的溫度下吸附CO2外，具有較好的CO2吸附效率和再生性能。
2.1金屬有機骨架材料MOFs
MOFs是一種新型的具有晶體結(jié)構(gòu)的多孔材料，具有很高的比表面積和孔隙率，有序的孔道結(jié)構(gòu)和易調(diào)的化學(xué)性質(zhì)使其在二氧化碳捕獲上展現(xiàn)出良好的前景。通過對MOFs表面性質(zhì)的改性，提高MOFs對CO2的吸附容量，在 MOFs的多孔壁上，存在開放的活性金屬中心，從而增加了CO2的吸附率。MOFs具有堿性，是捕獲酸性CO2的重要條件。
通常MOFs的堿性可以通過以下方法獲得：一是利用胺基配體合成MOFs；二是用胺浸漬法對MOFs進行合成后改性。
2.2碳納米管
碳納米管作為一種新型的吸附劑引起人們的高度關(guān)注。HAO等采用碳納米管和離子液體對煤基多孔碳進行多功能化處理，制備出一種N、O共同摻雜的碳納米管復(fù)合材料(N,O-PC-CNTs)。這種材料不僅具有碳納米管和多孔炭的形貌，還形成了具有大量雜原子基團的三維分層多孔結(jié)構(gòu)。該吸附劑具有2164 m2/g 的高比表面積，在0.1MPa，0 ℃和25℃的條件下，分別獲得5.7 mmol/g和 3.7 mmol/g的二氧化碳吸附量。
這種吸附劑具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性，在25℃經(jīng)過10次循環(huán)后，初始CO2吸附量仍保持94%。總的來說，碳納米管是一種有研究前景的二氧化碳吸附劑，可以通過改性和表面修飾的方法以提高吸附劑的比表面積和調(diào)節(jié)吸附劑的孔徑。
2.3沸石
沸石是一種含水的堿金屬或堿土金屬的硅鋁酸鹽，理想的沸石化學(xué)式可表示為:Mx/y(AlxSiyO2(x+y)·wH20，式中M一般是堿金屬(K、Na、Li)或者堿土金屬(Mg、Ca、Ba等)，是一類具有骨架結(jié)構(gòu)的微孔晶體硅酸鹽材料。沸石具有 0.5~1.2nm的均勻孔徑，形成相互連接的通道和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且沸石骨架中CO2能與堿金屬陽離子之間產(chǎn)生強靜電作用。因此，被廣泛應(yīng)用于二氧化碳氣體捕集。
2.4類水滑石
類水滑石化合物(HTlcs)，也稱為雙羥基層狀金屬氧化物(LDH)或陰離子黏土。類水滑石的一般化學(xué)式為[M2+1-xM3+x(OH)2]An-x/n。由于其良好的層狀的結(jié)構(gòu)，較高的比表面積，被廣泛的應(yīng)用于催化、吸附等方面，其作為吸附劑吸附CO2有選擇性高、穩(wěn)定性強、成本低和儲運方便等優(yōu)點。
FENG等以氯化鹽、硝酸鹽和乙酸鹽為前驅(qū)體，采用水熱法制備鎂鋁類水滑石。結(jié)果表明，以氯化鹽為前驅(qū)體的 MgAI(CI)具有較高的結(jié)晶度和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，對CO2的吸附能力最高，為0.156mol/g。
結(jié)語
基于現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)背景下，從以化石燃料為基礎(chǔ)的能源過渡到純綠色無污染的再生能源是非常困難的，而且碳中和任務(wù)依然艱巨。因此，在未來很長的一段時間內(nèi)，化石燃料仍是工業(yè)生產(chǎn)的主要能源。這也為尋找更加合適的CO2捕集方式和開發(fā)更加高效的吸附劑材料提供了巨大的探索方向和改進空間。在眾多CO2捕集方式中，吸附法以能耗低、操作簡單、吸附量大、循環(huán)性能好等優(yōu)點脫穎而出。
參考來源：
徐永輝，等：二氧化碳捕集材料的研究進展，桂林理工大學(xué)
羅金妮，等：固體吸附劑在CO2捕集中的應(yīng)用，寧夏理工學(xué)院
楊支秀，等：CO2捕集及分離方法研究現(xiàn)狀與進展，煤與煤層氣共采國家重點實驗室
