多孔固体材料吸附CO2的研究进展

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2022.02.005

摘要/Abstract

摘要：

温室效应日渐显著，CO₂的捕集与储存（CCS）是一种潜力巨大的减排措施，其中吸附法捕集CO₂是最有前景的技术之一。多孔固体材料因其优异的CO₂吸附性能备受关注。针对吸附法脱除CO₂的研究进行综述，介绍了五种不同的吸附材料，总结了影响它们吸附CO₂的主要因素，以及改性后材料的吸附性能。结果表明，温度、压强、孔结构的改变会影响材料的物理吸附性能；还原改性、氧化改性和金属离子负载改性能够改变材料表面官能团的种类或者数量，提高了材料的CO₂吸附性能。

关键词: CO₂吸附, 多孔固体材料, 改性

Abstract:

As the greenhouse effect becomes gradually significant, CO₂ capture and storage (CCS) has turned into a potential emission reduction measure, and the adsorption method of CO₂ capture is one of the most promising technologies. Porous solid adsorbents have attracted widespread attention due to their excellent CO₂ adsorption performance. This review focused on the research of CO₂ removal by adsorption. Five different adsorption materials were introduced, and the main factors affecting CO₂ adsorption were summarized, as well as the adsorption performance of modified materials. The results show that the changes of temperature, pressure, and pore structure can affect the physical adsorption properties of the materials; reduction, oxidation, and metal ion loading modification can improve the CO₂ adsorption performance by Changing the type or number of functional groups on the surface of the material.

Key words: CO₂ adsorption, Porous solid adsorption material, Modification

中图分类号:

TE992.1

佟思琦, 建伟伟, 海秋岩, 解伟欣, 孙易. 多孔固体材料吸附CO₂的研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 30-37.

Siqi Tong, Weiwei Jian, Qiuyan Hai, Weixin Xie, Yi Sun. Research Progress of Porous Solid Materials for CO₂ Adsorption and Removal[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2022, 42(2): 30-37.

图/表 4

参考文献 64

1	邱雪霏.基于吸收法的CO₂富液解吸试验研究［D］.南昌：华东交通大学，2019.
2	李爽.水滑石基吸附剂中温H₂/CO₂分离的试验研究［D］.北京：清华大学，2016.
3	乔迎晨.老化及离子改性对ZrO₂⁃SiO₂气凝胶高温稳定性的影响［D］.天津：天津大学，2017.
4	Deng S，Hu B，Chen T，et al. Activated carbons prepared from peanut shell and sunflower seed shell for high CO₂ adsorption［J］. Adsorption，2015，21（1⁃2）：125⁃133.
5	Wei H，Deng S，Hu B，et al. Granular bamboo⁃derived activated carbon for high CO₂ adsorption： The dominant role of narrow micropores［J］. ChemSusChem，2012，5（12）：2354⁃2360.
6	Deng S，Wei H，Chen T，et al. Superior CO₂ adsorption on pine nut shell⁃derived activated carbons and the effective micropores at different temperatures［J］. Chemical Engineering Journal， 2014， 253：46⁃54.
7	Sevilla M，Fuertes A B. Sustainable porous carbons with a superior performance for CO₂ capture［J］. Energy & Environmental Science，2011，4（5）： 1765⁃1771.
8	Bing X，Wei Y，Wang M，et al. Template⁃free synthesis of nitrogen⁃doped hierarchical porous carbons for CO₂ adsorption and supercapacitor electrodes［J］. Journal of Colloid Interface Science，2017，488：207⁃217.
9	Wang M，Wang J，Qiao W，et al. Scalable preparation of nitrogen⁃enriched carbon microspheres for efficient CO₂ capture［J］. RSC Advances，2014，4（106）：61456⁃61464.
10	He X，Liu J，Jiang Y，et al. ‘Useful’ template synthesis of N⁃doped acicular hollow porous carbon/carbon⁃nanotubes for enhanced capture and selectivity of CO₂［J］. Chemical Engineering Journal，2019，361：278⁃285.
11	Mulgundmath V P，Tezel F H，Saatcioglu T，et al. Adsorption and separation of CO₂/N₂ and CO₂/CH₄ by 13X zeolite［J］. The Canadian Journal of Chemical Engineering，2012，90（3）：730⁃738.
12	李涛.NaY分子筛的合成及其应用性能的研究［D］.石家庄：河北科技大学， 2013.
13	Jung J Y，Karadas F，Zulfiqar S，et al. Limitations and high pressure behavior of MOF⁃5 for CO₂ capture［J］. Physical Chemistry Chemical Physics，2013，15（34）：14319⁃14327.
14	Bao Z，Yu L，Ren Q，et al. Adsorption of CO₂ and CH₄ on a magnesium⁃based metal organic framework［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2011，353（2）：549⁃556.
15	Xing W，Liu C，Zhou Z，et al. Superior CO₂ uptake of N⁃doped activated carbon through hydrogen⁃bonding interaction［J］. Energy & Environmental Science，2012，5（6）： 7323⁃7327.
16	马旭.粉煤灰合成A型沸石及其对CO₂和CH₄吸附的研究［D］.重庆：重庆大学，2017.
17	简相坤，刘石彩.活性炭微结构与吸附、解吸CO₂的关系［J］.煤炭学报，2013，38（2）：326⁃330.
18	Adhikari A K，Lin K S. Synthesis， fine structural characterization， and CO₂ adsorption capacity of metal organic frameworks⁃74［J］. Journal of Nanoscience Nanotechnology，2014，14（4）：2709⁃2717.
19	岑旗钢.活性炭材料吸附分离烟气中二氧化碳研究［D］.杭州：浙江大学，2017.
20	安崇.氨水改性活性炭用于垃圾填埋气净化的试验研究［D］.郑州：河南农业大学，2018.
21	郭慧娴，李水娥，张勇，等.改性活性炭对烟气中CO₂吸附性能的影响［J］.湿法冶金，2020，39（2）：156⁃159.
22	Tan Y L，Islam M A，Asif M，et al. Adsorption of carbon dioxide by sodium hydroxide⁃modified granular coconut shell activated carbon in a fixed bed［J］. Energy，2014，77：926⁃931.
23	周绪忠.干法吸附烟气中二氧化碳技术应用研究［D］.贵阳：贵州大学，2016.
24	Singh J，Bhunia H，Basu S. Synthesis of porous carbon monolith adsorbents for carbon dioxide capture： Breakthrough adsorption study［J］. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2018，89：140⁃150.
25	Vinke P，Van Der Eijk M，Verbree M，et al. Modification of the surfaces of a gasactivated carbon and a chemically activated carbon with nitric acid， hypochlorite， and ammonia［J］. Carbon，1994，32（4）：675⁃686.
26	Zhang Z，Xu M，Wang H，et al. Enhancement of CO₂ adsorption on high surface area activated carbon modified by N₂， H₂ and ammonia［J］. Chemical Engineering Journal，2010，160（2）：571⁃577.
27	林俭锋，苏叶，肖静，等.Mg⁃MOF⁃74的氨改性及其吸附CO₂和水蒸气性能［J］.功能材料，2014，45（9）：9038⁃9042.
28	陈健.金属⁃有机骨架MOF⁃74系列吸附捕集低浓度二氧化碳的研究［D］.大连：大连理工大学，2016.
29	仇学伟.改性活性炭催化还原三价钴氨络合物的研究［D］.上海：华东理工大学，2013.
30	叶剑波.活性炭改性及其吸附CO₂/H₂O性能研究［D］.沈阳：东北大学，2014.
31	Zhou D，Cheng Q Y，Cui Y，et al. Graphene–terpyridine complex hybrid porous material for carbon dioxide adsorption［J］. Carbon，2014，66：592⁃598.
32	吕勇，杨魁智，段龙，等.聚乙烯亚胺改性MIL⁃101（Cr）及其吸附分离CH₄/CO₂特性［J］.南京工业大学学报（自然科学版），2017，39（4）：66⁃72.
33	刘清.胺改性工业级碳纳米管吸附分离烟道气中二氧化碳的研究［D］.杭州：浙江大学，2015.
34	Su X，Bromberg L，Martis V，et al. Postsynthetic functionalization of Mg⁃MOF⁃74 with tetraethylenepentamine： Structural characterization and enhanced CO₂ adsorption［J］. ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（12）：11299⁃11306.
35	Keramati M，Ghoreyshi A A. Improving CO₂ adsorption onto activated carbon through functionalization by chitosan and triethylenetetramine［J］. Physica E：Low⁃dimensional Systems and Nanostructures，2014，57：161⁃168.
36	Rattanaphan S，Rungrotmongkol T，Kongsune P. Biogas improving by adsorption of CO₂ on modified waste tea activated carbon［J］. Renewable Energy，2020，145：622⁃631.
37	张飞飞.基于MIL⁃100系列材料的生物沼气中CO₂/CH₄分离性能研究［D］.太原：太原理工大学，2018.
38	叶青.改性多孔材料常温下吸附分离密闭空间二氧化碳［D］.杭州：浙江大学，2012.
39	张学诗.胺基功能化多孔材料的制备及其对CO₂吸附性能的研究［D］.青岛：青岛科技大学，2015.
40	梁方方.金属有机骨架材料MIL⁃101（Cr）的改性及常压下吸附CO₂的研究［D］.新乡：河南师范大学，2016.
41	Lee C H，Hyeon D H，Jung H，et al. Effects of pore structure and PEI impregnation on carbon dioxide adsorption by ZSM⁃5 zeolites［J］. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2015，23：251⁃256.
42	Liu X，Gao F，Xu J，et al. Zeolite@Mesoporous silica⁃supported⁃amine hybrids for the capture of CO₂ in the presence of water［J］. Microporous and Mesoporous Materials，2016，222：113⁃119.
43	张晓光，房俊卓，胡奇林.煤基活性炭轻度氧化改性的研究［J］.化学世界，2008（4）：210⁃212.
44	单晓梅，朱书全，张文辉，等.氧化法改性煤基活性炭和椰壳活性炭的研究［J］.中国矿业大学学报，2003，32（6）：133⁃137.
45	Bai B C，Kim E A，Lee C W，et al. Effects of surface chemical properties of activated carbon fibers modified by liquid oxidation for CO₂ adsorption［J］. Applied Surface Science，2015，353：158⁃164.
46	宋涛，廖景明，肖军，等.生物质活性炭微孔和中孔结构对CO₂吸附性能的影响［J］.新型炭材料，2015，30（2）：156⁃166.
47	Cho S，Lee D，Lee Y S. Separation of biomass using carbon molecular sieves treated with hydrogen peroxide［J］. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2015，21：278⁃282.
48	宋雪.酸—金属离子改性碳质吸附剂及其吸附分离垃圾填埋气CO₂/CH₄的研究［D］.重庆：重庆大学，2017.
49	张胜东.玉米芯活性炭的制备、改性及CO₂气体吸附性能研究［D］.沈阳：东北大学，2014.
50	郝明明，袁辉，远辉.新疆杏核壳活性炭的改性对含氧官能团的影响［J］.炭素技术，2014，33（2）：30⁃33.
51	李通，罗仕忠，吴永永，等.活性炭改性及其对CO₂/CH₄吸附性能的研究［J］.煤炭学报，2011，36（12）：2012⁃2017.
52	孙媛媛.芦竹活性炭的制备、表征及吸附性能研究［D］.济南：山东大学，2014.
53	Hu J，Liu Y，Liu J，et al. Chelation of transition metals into MOFs as a promising method for enhancing CO₂ capture： A computational study［J］. AIChE Journal，2019，66（2）： e16835.
54	宋夫交.功能化多孔材料的制备及其CO₂吸附/催化加氢性能研究［D］.南京：南京理工大学，2017.
55	Somboon C，周奎，姚宸，等.碱性金属修饰金属有机骨架材料MOF⁃5吸附位点及其常态下分离二氧化碳/甲烷的应用［J］.应用化学，2015，32（5）：552⁃556.
56	朱敏，王艳芳，陈树军，等.M⁃MOF⁃74吸附分离天然气中CO₂的模拟研究［J］.辽宁石油化工大学学报，2019，39（3）：40⁃45.
57	黄毅雄.天然气脱二氧化碳高效吸附剂的筛选［D］.青岛：中国石油大学（华东），2016.
58	Bae Y S，Hauser B G，Farha O K，et al. Enhancement of CO₂/CH₄selectivity in metal⁃organic frameworks containing lithium cations［J］. Microporous and Mesoporous Materials，2011，141（1⁃3）：231⁃235.
59	Niu Z，Guan Q，Shi Y，et al. A lithium⁃modified zirconium⁃based metal organic framework （UiO⁃66） for efficient CO₂ adsorption［J］. New Journal of Chemistry，2018，42（24）：19764⁃19770.
60	Xu Q，Liu D，Yang Q，et al. Li⁃modified metal⁃organic frameworks for CO₂/CH₄ separation： a route to achieving high adsorption selectivity［J］. Journal of Materials Chemistry，2010，20（4）：706⁃714.
61	朱敏，唐迎春，王艳芳，等.改性Ni⁃MOF⁃74的微观结构及脱碳性能研究［J］.石油化工高等学校学报，2020，33（1）：17⁃22.
62	刘宏波，朱敏，付越，等.Li⁺改性分子筛在天然气净化脱CO₂中的应用［J］.油气田地面工程，2017，36（10）：26⁃30.
63	Han Y，Liu K，Sinnwell M A，et al. Direct observation of Li⁺ ions trapped in a Mg²⁺⁃templated metal⁃organic framework［J］. Inorganic Chemistry，2019，58（14）：8922⁃8926.
64	Botas J A，Calleja G，Sánchez⁃Sánchez M，et al. Effect of Zn/Co ratio in MOF⁃74 type materials containing exposed metal sites on their hydrogen adsorption behaviour and on their band gap energy［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（17）：10834⁃10844.

原材料	温度/ ℃	压强/ MPa	CO₂吸附量/ （mmol·g^-1）	参考文献
13X沸石	40	0.1	4.14	[11]
13X沸石	100	0.1	4.02	[11]
NaY沸石分子筛	30	0.1	2.19	[12]
NaY沸石分子筛	50	0.1	2.74
NaY沸石分子筛	70	0.1	2.04
MOF⁃5	55	5.0	14.50	[13]
MOF⁃5	70	5.0	13.00	[13]
Mg⁃MOF⁃74	5	0.1	10.00	[14]
Mg⁃MOF⁃74	25	0.1	8.50
Mg⁃MOF⁃74	45	0.1	7.50

原材料	温度/ ℃	压强/ MPa	CO₂吸附量/ （mmol·g^-1）	参考文献
13X沸石	40	0.1	4.14	[11]
13X沸石	100	0.1	4.02	[11]
NaY沸石分子筛	30	0.1	2.19	[12]
NaY沸石分子筛	50	0.1	2.74
NaY沸石分子筛	70	0.1	2.04
MOF⁃5	55	5.0	14.50	[13]
MOF⁃5	70	5.0	13.00	[13]
Mg⁃MOF⁃74	5	0.1	10.00	[14]
Mg⁃MOF⁃74	25	0.1	8.50
Mg⁃MOF⁃74	45	0.1	7.50

基体	w(N)/ %	比表面积/ (m²·g^-1)	微孔体积/ (cm³·g^-1)	孔体积/ (cm³·g^-1)	微孔率/%	温度/ ℃	压强/ MPa	CO₂吸附量/ (mmol·g^-1)	参考文献
椰壳		792	0.30	0.39	0.77	38	0.1	1.92	[17]
山核桃壳		956	0.34	0.61	0.58	30	0.1	2.31	[19]
杏仁壳		1 090	0.42	0.50	0.84	25	0.1	2.70	[6]
豆渣		1 060	0.43	1.00	0.43	25	0.1	4.24	[15]
竹子		1 800	0.42	0.80	0.51	25	0.1	4.50	[11]
葵花籽壳		1 790	0.42	0.77	0.55	25	0.1	4.61	[4]
木屑		1 260	0.55	0.62	0.89	25	0.1	4.80	[7]
CMS1	5.1	610	0.20	0.28	0.72	25	0.1	2.49	[8]
CMS1	10.6	1 109	0.34	1.58	0.59	25	0.1	2.66	[8]
CMS1	14.5	1 150	0.32	1.15	0.28	25	0.1	2.99	[8]
MOF1		1 474		0.87		0	0.1	4.10	[18]
MOF2		1 345		0.83		0	0.1	3.38	[18]
Mg⁃MOF⁃74		1 174		0.65		25	0.1	8.50	[14]

基体	w(N)/ %	比表面积/ (m²·g^-1)	微孔体积/ (cm³·g^-1)	孔体积/ (cm³·g^-1)	微孔率/%	温度/ ℃	压强/ MPa	CO₂吸附量/ (mmol·g^-1)	参考文献
椰壳		792	0.30	0.39	0.77	38	0.1	1.92	[17]
山核桃壳		956	0.34	0.61	0.58	30	0.1	2.31	[19]
杏仁壳		1 090	0.42	0.50	0.84	25	0.1	2.70	[6]
豆渣		1 060	0.43	1.00	0.43	25	0.1	4.24	[15]
竹子		1 800	0.42	0.80	0.51	25	0.1	4.50	[11]
葵花籽壳		1 790	0.42	0.77	0.55	25	0.1	4.61	[4]
木屑		1 260	0.55	0.62	0.89	25	0.1	4.80	[7]
CMS1	5.1	610	0.20	0.28	0.72	25	0.1	2.49	[8]
CMS1	10.6	1 109	0.34	1.58	0.59	25	0.1	2.66	[8]
CMS1	14.5	1 150	0.32	1.15	0.28	25	0.1	2.99	[8]
MOF1		1 474		0.87		0	0.1	4.10	[18]
MOF2		1 345		0.83		0	0.1	3.38	[18]
Mg⁃MOF⁃74		1 174		0.65		25	0.1	8.50	[14]

[1]	张玉銮, 郭璨, 周銮华, 姚晓曼, 杨仪雯, 庄惠芬, 王艺蓉, 陈宜法, 李顺利, 兰亚乾. 共价有机框架在锂硫电池隔膜中的应用综述[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 19-29.
[2]	张硕, 付怀佳, 韩冬云, 乔海燕, 石薇薇, 邓小丹. 改性乙烯焦油沥青的制备及表征分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 8-13.
[3]	魏雨诗, 王锐, 林壮, 姜恒, 霍明仁, 陈欣悦, 梁晓艳, 张重阳. Fe₃O₄ 基β⁃环糊精聚合物的制备及吸附性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 28-35.
[4]	穆晓雪, 丁巍, 张晓帆, 戴咏川, 耿忠兴, 李宇. Fe改性MoNi/γ⁃Al₂O₃催化剂的制备与表征[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(4): 6-10.
[5]	费永鑫, 马会强, 李爽. 改性活性污泥生物炭对水中苯酚吸附性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 19-24.
[6]	张永辉, 陈雪冰, 张静. 可见光催化剂氧化铋的改性研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(6): 1-8.
[7]	高陆玺, 吕雪川, 宋翰林, 张弛, 王天昊, 高肖汉. 双氰胺⁃甲醛改性絮凝剂的合成与脱色性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 23-27.
[8]	王雪, 建伟伟, 陆毅, 张绍鹏, 周小盟, 韩赛钊. Cu和Sn改性多壁碳纳米管对VOCs气体的吸附[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 44-49.
[9]	程健强，王文广，韩杰. 碳纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(3): 33-42.
[10]	蒙文媛，李丽华，吴限，杨莹，马诚. 新型疏水改性阳离子聚丙烯酰胺的制备及表征[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(3): 43-47.
[11]	孙财，高莹，张静. 氧化铁可见光光电催化材料改性研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2020, 40(2): 30-37.
[12]	陈录婵，肖妍，付传玉，胡跃鑫，韩向艳. 印尼油砂尾砂/聚乙烯复合材料的性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2019, 39(5): 40-44.
[13]	吝美霞，李法云，王艳杰，邢杨，李佳宇. 改性石墨相氮化碳光催化降解有机污染物[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2019, 39(2): 1-09.
[14]	李强，李晴，吕扬，王焕，秦玉才，宋丽娟，胡绍争. 碱金属改性g-C₃N₄及其对氮气吸附影响的理论研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2018, 38(06): 37-42.
[15]	杜墨池，贺新，向刚伟，赵德智，王德慧. 稀土改性负载型催化剂研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2018, 38(05): 35-42.

多孔固体材料吸附CO₂的研究进展

Research Progress of Porous Solid Materials for CO₂ Adsorption and Removal

HTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 4

参考文献 64

相关文章 15

编辑推荐

Metrics