第四章二氧化碳吸附技術《二氧化碳捕集原理與技術》提綱二氧化碳吸附工藝1中高溫吸附二氧化碳2低溫吸附二氧化碳34.1二氧化碳吸附工藝固定床固定床：在進行多相過程的設備中，若有固相參與，且處于靜止狀態時，則設備內的固體顆粒物料層稱為固定床，又稱填充床反應器。吸附質：固體物吸附質通常呈顆粒狀，粒徑在2~15mm左右。形式：根據床層布置形式，分為立式、臥式、方形、圓形環和圓錐形等。流程：流體穿過床層，流體中需分離的組分被固體顆粒吸附截留。當床層吸附飽和后通過加熱或者其他方法進行再生。固定床的優缺點4.1二氧化碳吸附工藝優點：結構簡單、制作容易、價格低廉、適合小型、分散、間歇性污染源的治理。普遍應用于連續性污染源的治理中。缺點：（1）需要間歇操作，即吸附和再生過程必須周期性更換，這樣不但需要備

用設備，而且需要較多的進、出口閥門，難以實現大型化、自動化；（2）床層要有一定富余，需放置多余實際需要的吸附劑；（3）床層熱量的輸入和導出均存在困難，無法利用吸附熱，且易出現局

部過熱現象。固定床穿透吸附曲線4.1二氧化碳吸附工藝S1—有效吸附；S2—固定床正在穿透；S3—固定床己經穿透。通常穿透曲線的斜率反映了固定床的床層利用效率和傳質阻力的大小。理想狀態的穿透曲線為與時間軸垂直的直線，但因存在傳質阻力，呈現傾斜狀態；穿透曲線的斜率越大，說明傳質的力越小，吸附活性越高。吸附量、吸附率的計算方法4.1二氧化碳吸附工藝

4.1二氧化碳吸附工藝移動床移動床：指吸附過程中吸附劑跟隨氣流流動完成吸附的裝置。流程：新鮮吸附劑由塔頂加進，塔底有一裝置連續地排出已飽和的吸附劑，送到另一容器再生，再生后回到塔頂。特點：可實現分區吸附優點：有較小的壓降，避免了固體吸附劑的反混。缺點：傳熱效率比較低，系統復雜。移動床的優缺點4.1二氧化碳吸附工藝“Sorbex工藝”吸附床分四個區域：（1）Ⅰ

區主要是從混合物中吸附A。（2）Ⅱ

區主要是從吸附劑中脫附出B，靠調節Ⅱ區中的流體流量，B可完全從吸附劑中脫附出來，而A是不會完全脫附的。（3）Ⅲ

區是A的脫附區，即由D置換出A來。從Ⅲ區底部抽出一部分流體作為抽出液，其余部分向下流進Ⅱ區作為回流液。移動床的優缺點4.1二氧化碳吸附工藝“Sorbex工藝”吸附床分四個區域：（4）Ⅳ區的目的是減小所需新鮮解吸劑的循環量，也是減少經各精餾塔從產品A和B中分離解吸劑的負荷。從I區底部抽余液主要含有B+D，從Ⅲ區底部抽出液主要含有A+D。I、Ⅱ區組分為A+B+D，Ⅲ區為A+D，Ⅳ區為B+D。4.1二氧化碳吸附工藝流化床流化床：當流體的流速達到一定值時，固體顆粒間摩擦力與重力相等，每個顆粒可以自由運動，固體顆粒呈現流態化，完成流態化過程的設備稱為流化床。要求：流體速度必須大于使吸附劑顆粒呈流態化所需的最低速度。分類：氣固流化床（聚式流態化）床層中的孔隙率不斷變化液固流化床（散式流態化）顆粒均勻分布于床層中4.1二氧化碳吸附工藝流化床—雙體流化床流程：一般為雙體流化床。由吸附單元與脫附單元組成。流體自下往上流動，吸附劑由吸附塔底部進入脫附單元頂部。通過加熱等方法解吸后，從而返回吸附單元頂部繼續進行吸附過程。流化床的優缺點4.1二氧化碳吸附工藝優點：吸附劑混合充分；吸附與脫附分別是在吸附單元和解吸單元同時進行。缺點：吸附劑磨損比較大；操作彈性很窄；設備比較復雜、費用高；流化床分離的另一個嚴重缺點是床層內高度返混，為了防止返混通常將床層分成幾級，在級與級間用溢流堰和溢流管連接。4.1二氧化碳吸附工藝超重力床超重力床：采用高速旋轉填料產生的離心力場模擬超重力場，流體受到巨大的剪切力，形成巨大的相界面積以強化傳質過程，又稱旋轉填充床。原理：液體在高分散、高湍動、強混合以及界面急速更新的情況下與氣體以極大的相對速度逆向接觸，極大地強化了傳質過程。流程：在電機帶動下吸附劑高速旋轉，固體吸附劑界面在氣相主體中快速更新；吸附劑尾部渦旋不斷變化，誘導速度場發生高頻脈動，導致切向速度間斷面對吸附劑的作用不斷更新，提高吸附速率。模擬超重力床中吸附CO2的典型工藝流程4.1二氧化碳吸附工藝N2CO2氣體流量計管式爐緩沖罐尾氣吸收裝置CO2檢測儀超重力床超重力床中吸附CO2的應用4.1二氧化碳吸附工藝合成納米碳酸鈣流程：氫氧化鈣懸浮液與CO2氣體由旋轉床上部進人，高速旋轉的填料將氫氧化鈣溶液剪切成微細的液滴、液絲和液膜，強大離心力使碳酸鈣微粒一旦形成就迅速脫離氫氧化鈣溶液，無法繼續長大，同時氫氧化鈣溶液和二氧化碳氣體的接觸面積大大增加并迅速更新，使反應速度大大提高。優勢：納米碳酸鈣產品平均粒徑小，制得平均粒徑為15～30nm；

產品粒度分布范圍窄；產品質量穩定；反應器體積小；

反應速度快，反應時間僅為傳統工藝的10%～20%；

可控制其反應溫度、速度和pH值等條件，以取得不同晶形的產品。提綱二氧化碳吸附工藝1中高溫吸附二氧化碳2低溫吸附二氧化碳3中高溫吸附CO2是指在工況溫度＞200℃時，對CO2進行吸附的過程；中高溫吸附CO2的材料可分為層狀雙金屬氫氧化物、鋰基吸附劑和其他金屬氧化物吸附劑等。4.2中高溫吸附二氧化碳中高溫吸附CO2的特點高溫工況不利于吸附，所以主要依靠與堿性氫氧化物或特定鹽生成碳酸氫（鹽）從而實現CO2的捕集與吸附劑的循環利用。4.2中高溫吸附二氧化碳層狀雙金屬氫氧化物定義：層狀雙金屬氫氧化物（layereddoublehydroxides，LDHs）是一類由兩種或兩種以上金屬元素組成的金屬氫氧化物，結構由主層板和層間的陰離子及水分子相互交疊構成。特點：具備快速的吸附/脫附動力學以及良好的再生性能。結構示意圖：LDHs的典型結構如左圖所示。結構通式：4.2中高溫吸附二氧化碳LDHs如何吸附CO2？吸附原理：在吸附過程中，CO2分子首先擴散到LDHs的孔道中，然后與表面的活性位點發生相互作用（主要物理吸附和化學吸附）。物理吸附：適用于低濃度CO2的吸附，主要基于范德華力，CO2分子與LDHs表面形成可逆結合，隨著溫度的升高或壓力的降低，CO2被解吸出來，吸附劑得以再生；化學吸附：適用于高濃度CO2的吸附，CO2分子可能與LDHs表面的堿金屬等元素發生反應，生成碳酸鹽等化合物，實現CO2的長期捕集，化合物可以被熱解或化學方法分解，從而實現CO2的釋放和吸附劑的再生。制備方法優化：常規LDHs的制備方法包括共沉淀、尿素水解、離子交換、水熱、溶膠-凝膠和反相微乳液法等。共沉淀法由于其方法簡便、成本低廉，最為常用，同時該方法制得的樣品具有較大的比表面積和更高的CO2吸附容量。4.2中高溫吸附二氧化碳提高LDHs吸附容量的方法有哪些？組分調控：通過改變組分來對

LDHs

進行改性具體分三部分，改變二價陽離子M2+（Mg2+、Co2+、Ca2+、Cu2+、Zn2+、Ni2+等）；改變三價陽離子M3+（A13+、Ga3+、Fe3+、Mn3+等）；改變陰離子An-（CO32-、Cl-、C1O4-、SO42-、等）。4.2中高溫吸附二氧化碳提高LDHs吸附容量的方法有哪些？陽離子主要影響樣品的最佳吸附溫度；陰離子會影響

LDHs

的熱穩定性、形態以及比表面積，從而影響

LDHs

的

CO2吸附容量。煅燒溫度調控：煅燒后LDHs首先逐漸失去層間水，隨后大量的脫羥基和脫碳，進而形成了混亂的3D網絡狀的混合氧化物，比表面積將顯著提高、孔體積增大。粒徑控制：通常減小粒徑或提高比表面積都可以提高吸附劑的表面吸附活性位點，從而提高吸附劑的CO2

吸附性能。合成pH對最終產物的形態、孔結構有重要作用。4.2中高溫吸附二氧化碳提高LDHs吸附容量的方法有哪些？堿金屬摻雜：可以改善LDHs的堿度，從而提高其CO2吸附容量。例如，隨著K2CO3的負載量增加，堿度的增加和比表面積的減小是相互矛盾的影響因素（鉀的負載雖然提高了樣品CO2吸附容量，但是卻減慢了其吸附動力學）；無機復合：LDHs與高比表面積材料的無機復合，可以提高其吸附容量和熱穩定性。例如，多壁碳納米管的加入可以使堿性位點分散的更加均勻，相較于LDHs展現出更優異的吸附效能和循環再生性能。4.2中高溫吸附二氧化碳提高LDHs吸附容量的方法有哪些？4.2中高溫吸附二氧化碳鋰基材料定義：常見的鋰基CO2吸附材料包括鋯酸鋰（Li2ZrO3）、正硅酸鋰（Li4SiO4）等，能立即與周圍的CO2發生反應，反應溫度最高可達700℃，并且能可逆地還原為氧化物。優勢：相比于LDHs吸附材料，它們在高溫條件下具有吸附量高、循環穩定性強等優勢。4.2中高溫吸附二氧化碳鋰基材料如何吸附CO2？吸附原理：吸附過程遵循“雙殼模型”，以Li4SiO4為例進行說明：（1）CO2

分子與Li4SiO4

釋放的O2-

和Li+

反應生成Li2SiO3

殼層；（2）在Li2SiO3

殼層外部，CO2分子與Li+

和O2-

反應穿透Li2SiO3

殼層而引起Li2CO3

殼層形成；（Li4SiO4+CO2?Li2SiO3+Li2CO3）（3）當雙殼結構穩定后，吸附反應逐漸減弱至形成完整的Li2CO3

殼層，Li+

和O2-

難以擴散到致密的Li2CO3

殼層的外表面上，CO2分子則難以進入。提高鋰基材料吸附性能—熔融鹽摻雜4.2中高溫吸附二氧化碳b）熔融鹽摻雜改性：是指摻雜堿金屬（K、Na）化合物改變原材料的結構，提高比表面積，使之與Li2CO3形成低熔點熔融物，破壞致密的Li2CO3殼層，促進CO2在吸附劑中擴散。原理：熔融鹽摻雜改性可以在原鋰基材料表面形成低熔點共熔物、降低擴散阻力、破壞原有晶格結構、增大孔容和比表面積、提高CO2吸附容量和吸附效率。由于比表面積低、CO2擴散慢等問題，往往需要對鋰基材料進行摻雜改性以提高其吸附性能，包括熔融鹽摻雜、金屬摻雜及其他元素摻雜。提高鋰基材料吸附性能—摻雜改性4.2中高溫吸附二氧化碳b）金屬摻雜改性：是指對鋰基材料摻雜金屬元素（Al、Fe、Ti等）金屬陽離子替代Li+產生的空位導致結構扭曲，促進Li+、O2-躍遷，提高離子遷移率和電導率。原理：金屬摻雜改性鋰基材料以Li4SiO4為主，其原理為金屬離子進入晶格空位，或取代少部分Li+形成復合結構，造成晶格結構缺陷，使比表面積增大，從而提高吸附量和吸附速率，并阻止顆粒團聚現象，抑制熔融燒結現象。由于比表面積低、CO2擴散慢等問題，往往需要對鋰基材料進行摻雜改性以提高其吸附性能，包括熔融鹽摻雜、金屬摻雜及其他元素摻雜。4.2中高溫吸附二氧化碳(a)摻雜前；(b)摻雜后緩慢吸附CO2；(c)高溫吸附/脫附CO2提高鋰基材料吸附性能的方法有哪些？4.2中高溫吸附二氧化碳金屬氧化物定義：金屬氧化物是指由金屬元素與氧元素2種元素組成的氧化物。缺點：存在吸附容量低、循環穩定性差和易板結等問題，極大地限制了CO2捕獲效率。方法：因此要對金屬氧化物進行改性，包括增加比表面積、添加惰性組分、制備多孔材料、添加表面活性劑、制備前驅體和胺功能化等方法，可在一定程度上提高其CO2的捕獲效率。優點：具有工作溫度寬、原料來源廣和價格低廉等優點4.2中高溫吸附二氧化碳吸附原理：以氧化鎂（MgO）基吸附材料為例MgO吸附原理：MgO捕獲CO2主要為化學吸附：MgO+CO2

?MgCO3（200~400℃，正向吸附）；MgCO3

?MgO+CO2（450~550℃，反向脫附）。優勢：來源廣泛；

不易腐蝕設備；易于制備；因而應用前景廣闊。不足：純

MgO

的比表面積小和堿性位點少，CO2

吸附量很低（<0.5

mmol/g），遠未達到理論

CO2吸附量（24.8

mmol/g）；

再生溫度較高；易板結；循環穩定性差。金屬氧化物如何吸附CO2？4.2中高溫吸附二氧化碳吸附原理：以氧化鈣（CaO）基吸附材料為例CaO吸附原理：快速反應階段（化學反應控制）和慢反應階段（擴散控制）。CaO和CO2反應生成的CaCO3會阻止CO2擴散到顆粒內部與CaO反應，這樣CO2的吸附就會由化學反應控制變為擴散控制。如果顆粒粒徑越小（30-50nm)，吸附劑的性能就會越好，這樣快速反應階段就會占優勢，就會越有利于CO2的吸收，吸附劑的吸附性能就會越好。但是，捕獲CO2后的CaO會發生嚴重板結，這主要是由于吸附CO2后生成的CaCO3會堵塞CaO原始孔結構，從而導致其循環穩定性降低。金屬氧化物如何吸附CO2？4.2中高溫吸附二氧化碳鈣基吸附劑吸附CO2過程圖示：在CO2吸附的過程中，生成的CaCO3快速地包裹整個顆粒，直至生長至臨界反應層厚度。此時，CO2吸附由化學控制階段轉為擴散控制階段。金屬氧化物如何吸附CO2？提高MgO/CaO吸附容量的方法？熔鹽改性：a）摻入碳酸鹽會在一定程度上參與吸附過程，并與MgO/CaO形成A2Mg(CO3)2或A2Ca(CO3)2雙鹽，從而提高CO2的吸附性能；反應過程分為兩個階段：第一階段是A2CO3（A=Na、K、Rb、Cs）與MgO相互作用并在材料表面形成堿性吸附位點，且該階段內的動力學和各項性能都由A的性質決定；第二階段是Mg/Ca和A形成雙碳酸鹽，雙碳酸鹽的穩定性影響吸附材料的性能。4.2中高溫吸附二氧化碳提高MgO/CaO吸附容量的方法？熔鹽改性：b）摻入硝酸鹽為CO2分子提供進入內部的通道，并在吸附過程中提供更多的游離氧，降低氧化物的能量壁壘，從而提高CO2的吸附性能；c）碳酸鹽和硝酸鹽所組成的復合熔鹽可以發生共晶反應，生成A2Mg(CO3)2或A2Ca(CO3)2雙鹽，進一步提高CO2的吸附性能。4.2中高溫吸附二氧化碳提綱二氧化碳吸附工藝1中高溫吸附二氧化碳2低溫吸附二氧化碳3低溫吸附二氧化碳是指在工況溫度＜200℃時，對CO2進行吸附的過程；低溫吸附二氧化碳的材料主要包括碳基材料、沸石分子篩、天然非金屬礦物、介孔SiO2、金屬有機骨架化合物、多孔有機聚合物材料。4.3低溫吸附二氧化碳概述常用吸附方法：變溫吸附法（TSA）和變壓吸附法（PSA）；選擇吸附劑依據：（1）吸附劑優先選擇吸附CO2；

（2）吸附劑有較高的CO2吸附容量；

（3）吸附劑的使用壽命較長。常用吸附劑：物理（多孔材料）和化學（多孔材料負載胺和離子液體）吸附劑；TSA技術：在不同溫度下氣體組分的吸附容量或吸附速率不同而實現氣體分離。特點：（1）采用升降溫度的循環操作。（2）單獨依靠TSA進行吸附劑的再生循環周期較長，通常采用多種方法

相結合進行CO2捕集；PSA技術：在不同壓力下對不同氣體的吸附容量或吸附速率不同而實現氣體分離。特點：（1）價格低廉、高選擇性、高吸附容量、強解吸能力的優點

（2）通常其吸附壓力高于大氣壓，其解吸壓力為大氣壓，采用升降壓力

進行循環操作，一般采用多個吸附床共同完成。4.3低溫吸附二氧化碳概述4.2低溫吸附二氧化碳碳基吸附材料定義：碳基吸附材料是以煤或有機物制成的高比表面積的多孔含碳物質，包括活性炭、活性炭纖維、碳納米管等純碳結構的吸附劑。缺點：在低壓下對CO2的選擇吸附性和吸附量都比較低，只適用于高壓吸附。優點：具有相互連通的孔結構、較高的比表面積、穩定的物理化學性質、價格便宜等。4.2低溫吸附二氧化碳如何提升碳基吸附材料的吸附能力及選擇性？（1）改善碳基吸附材料的比表面積和孔結構，包括使用不同的前驅體以制備具有不同孔結構的碳材料，如有序介孔碳、碳納米管、石墨烯、復合碳材料等；（2）通過表面化學改性使堿性增強，如：氮摻雜、引入氨基等。孔結構與CO2吸附分壓的關系：較低壓（0.1MPa）下，孔徑<0.6

nm

的微孔對吸附有較大貢獻；而大微孔/小介孔（孔徑為2.0～3.0

nm）決定高壓（4.5MPa）下的吸附行為。4.2低溫吸附二氧化碳定義：活性炭主要以高含碳物質如煤炭或生物質為原料，經炭化和活化制備而成的碳質吸附材料。不同的前驅體通過特定的改性方法可制備高CO2吸附性能的活性炭。特點：具有孔隙結構發達、比表面積大、化學性質穩定、耐酸耐堿、選擇性吸附能力強、失效后易再生等特點。其中比表面積大、孔結構發達等特征，是活性炭吸附材料吸附CO2的關鍵因素。活性炭如何定義？物理活化法：采用CO2、水蒸氣、O2等氣體作為活化介質，在高溫下制備活性炭材料，活化介質滲透到材料表面結構氣化碳原子，形成發達孔隙結構。4.2低溫吸附二氧化碳原理：活化過程中活化介質逐漸滲透到材料表面結構氣化碳原子，從而形成發達孔隙結構。影響因素：活化時間和溫度CO2最合適，O2和水蒸氣作為活化介質會導致活化過程難以控制活性炭造孔—物理活化法化學活化法：通常利用強酸或強堿類活化劑，通過刻蝕碳材料表面去除無定形碳，形成豐富的孔隙結構，常用活化劑如KOH等。4.2低溫吸附二氧化碳原理：利用強酸或強堿類活化劑，通過刻蝕碳材料表面去除無定形碳，形成豐富的孔隙結構。影響因素：前驅體原料成分、活化溫度、活化劑以及浸漬比要求：控制活化劑的使用量及種類，否則會導致碳質表面結構崩塌。活性炭造孔—化學活化法模板法：合成過程加入特定添加劑，在碳化過程中或碳化后去除添加劑，得到孔徑分布相對均勻的吸附材料；分為軟模板法和硬模板法。4.2低溫吸附二氧化碳活性炭造孔—模版活化法定義：指在碳基吸附材料合成過程中加入某種有機嵌段共聚物，通過共聚物的自組裝作用進行聚合，再經過碳化最終獲得孔道相對規整的吸附材料。常用的軟模板劑有P123和F127等。4.2低溫吸附二氧化碳活性炭造孔—軟模版法定義：在材料合成過程中加入某種無機剛性物質，碳化后經過刻蝕去除添加劑，最終形成孔徑大小均一的吸附材料。常用的硬模板劑有SiO2、MgO、CaCO3、KCl等。4.2低溫吸附二氧化碳活性炭造孔—硬模版法活性炭改性碳基材料表面有少量含氧官能團，如羧基、羥基、羰基等，這些基團對CO2分子的親和力不同會導致碳基吸附劑吸附CO2性能差異。4.2低溫吸附二氧化碳功能化改性：一種能夠為材料賦予新的性能和功能的方法。通過化學和物理方法改變材料表面的性質，引入特定的功能分子或納米材料，可以實現特定的應用需求。常用改性方法：氧化改性、氮摻雜改性、硫雜化改性、金屬雜化改性等。活性炭改性—氧化改性4.2低溫吸附二氧化碳定義：采用強氧化劑對活性炭表面進行處理，使材料表面含有更多含氧官能團，以此提高活性炭表面極性。常用的氧化劑主要包含硝酸、次氯酸、雙氧水、高錳酸鉀、臭氧等。活性炭改性—氧化改性4.2低溫吸附二氧化碳不同氧化劑處理后的碳材料表面形成的官能團不同：a.采用液相的過硫酸銨和硝酸處理后的碳材料表面形成大量羧基官能團；b.空氣氧化后的碳材料表面則形成較多醚基和羰基官能團。c.雖然處理后的碳材料比表面積有所降低，且官能團呈弱酸性，但材料表面極性

得到了顯著提高，促進了CO2吸附.醚基羰基羧基4.2低溫吸附二氧化碳定義：通過浸漬、嫁接或原位摻雜等方式在活性炭表面或骨架內引入含氮官能團，形成豐富的堿性位，從而提高對CO2的吸附性能，包括有機胺改性、原位氮摻雜改性、無機氨改性。活性炭改性—氮雜化改性4.2低溫吸附二氧化碳分類：主要分為浸漬法和嫁接法。浸漬法：將多孔碳材料浸漬于有機胺溶液中，使有機胺負載到碳材料表面和孔道內，從而提高吸附材料的吸附選擇性和吸附容量。常用于浸漬的有機胺：單乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、

三乙烯四胺（TETA）、聚乙烯亞胺（PEI）等；不足：浸漬過程中易造成活性炭孔道結構堵塞，抑制CO2分子擴散，需要合理控

制有機胺的負載量。活性炭改性—有機胺改性4.2低溫吸附二氧化碳分類：主要分為浸漬法和嫁接法。嫁接（接枝）法：通過有機胺與碳材料表面的化學鍵結合，在材料表面均勻接枝氨基，從而提高吸附材料的選擇性和吸附容量，并可有效降低有機胺的揮發。常用嫁接的氨基化合物主要有：氨基硅烷、鹵化胺、二胺和多胺活性炭改性—有機胺改性原位氮摻雜與無機氨改性4.2低溫吸附二氧化碳原位氮摻雜改性：在前驅體碳化過程中加入有機氮源，在高溫條件下氮元素會參與到碳骨架的形成過程中，從而形成吡啶氮、吡咯氮等基團。無機氨改性：無機氨改性是指在高溫條件下采用無機氮源處理活性炭，通過形成含氮官能團（酰胺、酰亞胺、內酰胺、吡啶氮和吡咯氮等基團）的形式，將氮元素引入活性炭骨架或表面。較于原位氮摻雜改性，該方法所得氮雜碳材料的氮含量偏低。硫雜化和金屬雜化改性4.2低溫吸附二氧化碳硫雜化改性：通過含硫化合物與碳源混合物在高溫條件下反應制得。當硫基團處于氧化形式時，有利于碳材料對CO2吸附；硫雜碳對CO2吸附的主要方式（雜化結構的選擇）：（1）CO2與含硫基團形成芳環的酸堿作用（2）CO2與亞砜和磺酸等基團之間的極性作用（3）CO2與表面酸性基團的氫鍵作用亞砜磺酸硫雜化和金屬雜化改性4.2低溫吸附二氧化碳金屬雜化改性：將金屬元素引入碳材料骨架或表面，金屬氧化物作為供電子體（路易斯堿）易吸附CO2等酸性氣體，從而提高碳材料表面對CO2分子的親和力。常用金屬元素有Ca、Mg、K、AI、Cu、Zn、Fe等。4.2低溫吸附二氧化碳化學活化法：造孔效率高，但工藝成本高，且產生大量廢酸廢堿；物理活化法：成本較低且無環境污染，但該法難以控制反應進程，孔結構不均勻；模板法：可通過調控吸附材料的孔徑分布，但仍存在較多因素影響其規模應用。需綜合考慮選用更低成本的軟模板劑和更易處理的硬模板劑。活性炭改性—對比總結4.2低溫吸附二氧化碳活性炭纖維定義：活性炭纖維（ACFs）的前體為聚合纖維、纖維素和瀝青利用不同的前體進行氣體活化獲得不同類型的ACFs。特點：（1）表面積大，BET比表面積可達到1000m2/g以上；（2）孔徑分布窄且均勻，與吸附質的相互作用強；（3）孔徑小而均勻，吸附、脫附速率快；（4）具有石墨化特征，導電性和耐熱性好；（5）強度高、彈性好、可塑性強。4.2低溫吸附二氧化碳活性炭纖維的表面化學改性方法：溶液浸漬法、化學氣相沉積和電極氧化等其中，浸漬法具有操作簡單的優點；常用的浸漬液：HNO3、H2SO4、KOH、H2O2、金屬化合物溶液（如AgNO3、MnSO4）等。堿性化合物改性：可增加ACFs表面的堿性位；金屬化合物改性：金屬離子能負載到表面和孔道，增加表面吸附活性位點，同時起到調孔作用，進而增加活性炭纖維的吸附能力。定義：由石墨卷曲而成，具有典型層狀中空結構特征，管束內勁均一、比表面積大、機械強度高、水熱穩定性高、重量輕等優點。按卷曲的方向來劃分：分為扶手椅式、鋸齒式和手性型碳納米管。4.2低溫吸附二氧化碳碳納米管4.2低溫吸附二氧化碳根據卷曲石墨的層數：可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。單壁碳納米管：由單片石墨卷曲而成，直徑約為0.7~2nm多壁碳納米管：由兩層以上的石墨片卷曲而成，直徑基本小于50nm。特點：（1）具有較強的表面效應，使其表面能和表面結合能快速變大；

（2）高化學活性，從而產生特殊的吸附性能；（3）固定的層間距，是較為理想的載體；（4）可以負載有機胺，常用嫁接法和浸漬法。碳納米管4.2低溫吸附二氧化碳沸石分子篩定義：是含堿金屬和堿土金屬氧化物的結晶硅鋁酸鹽的水合物。根據硅鋁比和晶體類型的不同，沸石分子篩分為A、X、Y型等。A型沸石分子篩具有立方晶系結構；X、Y型沸石分子篩均為六方晶系。優點：表面積與吸附容量均較大；吸附范圍寬，可從親水至疏水；熱穩定性和化學穩定性良好；規則的孔道正好在多數分子尺寸內。沸石分子篩的合成方法4.2低溫吸附二氧化碳水熱體系合成法：是傳統且常用的合成方法。將硅源、鋁源、堿和水按一定比例混合均勻后，在一定溫度、壓力和pH值下反應而生成晶體。分為低溫水熱晶化法和高溫水熱晶化法，通常低硅鋁比的沸石是在低溫水熱體系中合成的，而高硅鋁比的沸石是在高溫水熱體系中合成的。非水體系合成法：不以水為溶劑，而以有機物作為溶劑進行沸石的合成。沸石分子篩的特點4.2低溫吸附二氧化碳沸石分子篩廣泛應用于氣體和液體物質的分離、凈化、回收、干燥及脫水等；分子篩具有可交換的陽離子；沸石分子篩的優勢主要表現在其對于臨界直徑、極性、形狀、不飽和度等性質不同的分子有選擇性吸附的能力，如CO2通過這種材料微孔的時候，會與堿金屬陽離子之間產生強靜電作用，從而發生吸附作用；沸石的脫附溫度一般高于300℃，對H2O的選擇性較差。若CO2中有水，沸石會優先吸附水分子，將造成微孔堵塞，從而大大影響CO2的吸附效果，沸石分子篩吸附CO24.2低溫吸附二氧化碳4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物定義：是指自然界除金屬礦產和燃料礦產之外的一種礦產資源。組成及結構：主要由硅酸鹽礦物組成，有層狀、孔狀和纖維狀等不同結構。特點：儲量豐富，價格低廉，具有較大的比表面積、豐富的孔道結構、較高的化學穩定性，是一種優良的固體吸附基體材料。常用于CO2吸附的礦物：主要包括高嶺石、埃洛石、蒙脫石、膨潤土、凹凸棒石、海泡石等，以物理吸附為主，但吸附能力通常有限，多需要改性，以提高吸附能力。天然非金屬礦物—高嶺石定義：由一層硅氧四面體形成的六方體網層和一層鋁氧八面體構成了典型的1:1型層狀黏土礦物。層間主要以強氫鍵緊密連結，缺乏層間結構域，對CO2的吸附量較低，主要以物理吸附為主。4.2低溫吸附二氧化碳定義：是一種1:1型的層狀硅酸鹽礦物，以多壁納米管狀結構存在。其外表面由四面體的硅氧基團（Si-O-Si）組成，內壁則由八面體的鋁羥基（Al-OH）組成，層間為水分子層。具有較高比表面積、發達的空隙結構和豐富的活性基團等優點，有利于CO2吸附。4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物—埃洛石定義：由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體排列為2:1型層狀鋁硅酸鹽。相比于高嶺石，其具有天然的納米片狀形貌、較高的孔隙率及良好的陽離子交換性等，其吸附CO2的能力往往略高于高嶺石。4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物—蒙脫石定義：由硅氧四面體層和非連續排列的八面體層構成的2:1型層鏈狀結構。豐富的含氧官能團，使電荷分布于表面，增強與CO2之間的相互作用。4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物—凹凸棒石定義：是一種輕質的天然水合硅酸鎂黏土礦物，由兩層硅氧四面體夾一層鎂氧八面體結構交替排列組成。具有孔徑均勻、孔隙率高、比表面積大的優點，對CO2具有良好的吸附作用。4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物—海泡石定義：硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，主要化學成分為無定型SiO2，其特點是松散、質輕、多孔，孔隙呈有規律分布，化學性質穩定，是一種天然無定形多孔硅質礦物材料。其成分和結構適合作為優良的載體。4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物—硅藻土熱處理：通常與酸堿處理一起作為預處理環節。酸處理（HCl、H2SO4、HNO3）可將天然礦物中的金屬陽離子（Al3+、Mg2+、Fe3+、Na+等）及雜質浸出，顯著增大比表面積和孔容積；堿處理（NaOH等）相比于酸處理而言，金屬陽離子可能是惰性的，導致天然礦物在堿處理過程中效果不佳。影響因素：酸堿處理濃度及溫度4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物表面改性方法有哪些？有機胺浸漬：通過引入有機胺分子中的胺基，與CO2之間發生化學作用，是工業二氧化碳捕集最有效的吸收方法。可解決問題：設備腐蝕、溶劑降解、高能量密集型再生等該方法的問題：有機胺沸點低

有機胺與礦物載體表面結合能力弱4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物表面改性方法有哪些？氨基硅烷接枝：利用礦物表面的硅醇基團與胺-烷氧基硅烷化合物之間的化學反應進行的，比有機胺浸漬更加穩定。但對于未預處理的海泡石和凹凸棒石等纖維狀粘土礦物，因為在接枝的過程中，氨基硅烷很有可能堵塞礦物中的納米孔道結構，不利于CO2在礦物中的擴散。吸附容量有限。柱撐技術：粘土礦物層間的可交換離子全部或部分被特定離子或離子團（“柱子”）替代并固定在其層間域。具有較大的比表面積、均勻的空隙結構、大的層間距等優點，作為催化劑和CO2吸附材料具有潛在的應用前景。4.2低溫吸附二氧化碳天然非金屬礦物表面改性方法有哪些？4.2低溫吸附二氧化碳介孔二氧化硅定義：是一種由硅氧鍵構成的多孔性材料，孔徑在2~50nm之間，具有高的表面積、大的孔體積、窄的孔徑分布和優異的再生穩定性。分類：SiO2納米粒子、SiO2空心球、SiO2納米管、SiO2粉、介孔SiO2泡沫、SiO2氣凝膠等。介孔二氧化硅改性方法4.2低溫吸附二氧化碳直接合成法：指在合成有序介孔分子篩的同時完成分子篩的改性過程。主要是共聚法，優點是改性后材料的有序程度較好，不會出現功能化合物加得越多，產物的有序程度越差的現象。合成后表面修飾法：指在有序介孔分子篩合成后，再完成其改性。主要包含嫁接法、涂層法、浸漬法和鑲嵌法。優點是有機基團均勻分布在孔壁上；孔徑所受影響不大；可以合成多樣有機-無機雜化材料。易堵孔。4.2低溫吸附二氧化碳嫁接法：指在介孔結構形成、去除模板劑以后，在其孔道內連接官能團分子，

從而完成表面修飾。涂層法：利用介孔二氧化硅表面的硅羥基和有機硅烷反應。浸漬法：將一種或幾種活性組分通過浸漬載體，負載在載體上。鑲嵌法：在介孔孔道內裝載并形成均勻、穩定且尺寸可調的離子、原子或分子

團簇，從而實現對吸附性能的有效調控。共聚法：在含硅源和模板劑的體系中直接加入改性劑，通過自組裝過程，形成

含有機功能基團的改性介孔材料。介孔二氧化硅改性方法4.2低溫吸附二氧化碳金屬有機骨架化合物（MOFs）？定義：利用無機金屬中心（金屬離子或金屬簇）與有機配體之間的配位作用通過自組裝形成的一類具有周期性網絡結構的多孔材料。分類：根據組分單元的不同分為類沸石狀咪唑骨架材料（ZIF）、網狀金屬有機骨架材料（IRMOF）、萊瓦希爾有機骨架材料（MIL）。ZIF4.2低溫吸附二氧化碳定義：通過Zn或Co與咪唑配體結合反應合成出的類沸石結構的MOFs材料。特點：結構簡單而穩定，具有優良熱穩定性和化學穩定性。ZIF系列材料已在捕集煙氣和廢氣中的CO2方面表現出優異的性能。IRMOF4.2低溫吸附二氧化碳定義：通過無機基團與芳香羧酸配體，以八面體的形式構建而成的微孔晶體結構。特點：具有多孔性和高比表面積。MIL4.2低溫吸附二氧化碳定義：通過將各種過渡金屬元素與二羧酸配體（如琥珀酸和戊二酸）相結合而合成的MOFs材料。特點：孔隙結構隨著外部刺激而改變，水分子的氫鍵與材料的框架結合并與CO2相互作用時產生的強大靜電力，促進了對CO2的吸附。4.2低溫吸附二氧化碳熱合成法：制備MOFs材料的常用方法，即把金屬前體和有機配體溶解在有機溶劑（或水）中，形成混合均勻的分散體。混合物轉移到密封容器中，在壓力和相對較高的溫度下重新結晶。特點：純度相對較高、分散性好、晶體形狀好、生產成本相對較低，但也存在合成周期長、產率低和反應條件苛刻等缺點。MOFs合成方法MOFs改性方法4.2低溫吸附二氧化碳引入金屬位點法：CO2是非極性線性分子。