混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究

鲁效庆, 王茂槐

混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究

鲁效庆, 王茂槐

(中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院, 青岛 266580)

碳捕获与封存技术是一种具有前景的CO2减排策略。本工作采用巨正则蒙特卡洛模拟研究了温度为298 K、压强在0~5 kPa范围内三种混合超微孔材料SIFSIX-X-Cu(以SiF62–排列, Cu为金属中心, X=2, 3, O)中CO2/N2吸附与分离的行为。结果显示, 相比于SIFSIX-2-Cu, SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中CO2在0.5 kPa就达到吸附饱和, 且在1 kPa下的吸附量分别达到了2.70与2.39 mmol·g–1。CO2/N2混合气体中CO2的吸附量几乎没有下降。SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu具有接近于CO2分子动力学直径的孔径, 对CO2亲和力较大, 吸附热分别达到了59和66 kJ·mol–1。密度泛函理论分析发现, 在两种结构中每个孔隙只吸附一个CO2分子, 且几乎处于孔道的中心。本工作为低压下吸附与分离CO2的混合超微孔材料的开发提供了理论指导。

巨正则蒙特卡洛; 混合超微孔材料; 吸附; 分离

温室气体尤其是CO2的大量排放造成的环境问题[1]促使碳捕获与封存(CCS)技术[2-4]成为一种前景广阔的技术。CO2在低浓度中的捕获常常在与能源、环境和健康有关的各种关键工业应用中发挥重要作用[5]。目前, 空气中低浓度的CO2(400 μL·L–1)和受限空间中极低含量的CO2(<0.5%)常用化学吸附剂[6],如水胺溶液和氢氧化钠溶液, 作为吸附材料进行捕捉。然而, CO2解吸/再生过程中需要较高的能量, 因此, 开发新一代具有高CO2选择性、中度CO2吸附热的物理吸附材料更有应用前景。

金属有机骨架材料(MOFs)由于具有较高的热力学稳定性、大的孔容量和易设计、易调整的结构特性, 表现出良好的碳捕获与分离性能[7-8]。Choi等[9]和McDonald等[10]各自报道胺结合在Mg-MOF-74上可对环境中的CO2有较好的吸附性能。但是CO2和胺形成了强化学键(70 kJ·mol–1), 再生困难。Caitlin等[11]研究了[Zn-(ZnOH)4(bibta)3]对痕量CO2的吸附性能, 发现40 Pa时吸附量达到了2.2 mmol·g–1, 但最佳吸附位点占据之后, 吸附性能减弱。……