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气体捕集,分离和储存解决方案


引言

使用固体吸附剂进行气体捕集、分离和储存有可能缓解能源效率、气候变化和可持续性方面的挑战。特别是,二氧化碳等温室气体的积累已成为全球性的问题,该研究目的是实现碳中和的碳达峰战略目标要求。

表征这些应用中前沿的材料通常具有挑战性,因为大多数实验研究仅仅依赖于纯平衡等温线,而不是实际的工艺组成和条件。例如,分别在燃烧后和直接空气捕集条件下发现的实际烟气或环境空气混合物含有大量的H2O和其他化合物,如SO2NOX,它们与CO2竞争吸附剂活性位点。此外,研究这些材料的再生、再利用和可循环性是至关重要的,同时还要研究捕集过程的详细动力学。

有许多不同的吸附测试仪器,例如,重量法和体积法,环境流速和真空法,静态真空和动态真空方法。本综述讲述了多功能多孔材料如活性炭、沸石、二氧化硅吸附剂和金属有机框架(MOFs)及其功能化或改性类似物的相关表征方法。

 

测试方法

a) 静态和动态方法

静态方法

传统的吸附测量是在静态或平衡模式下进行的。在这个过程中,气体被加到含有吸附剂的样品仓中。然后将仓室密封,使压力平衡。该方法适合于快速动力学吸附(例如,N2而不是H2O)。静态测量的主要限制是测量误差随每次剂量的增加而增加。此外,在实验期间,除吸附外,系统压力还会因各种原因发生变化,更常见的原因是真空泄漏或温度变化。这可能导致测量误差,特别是在低分压情况下。

动态方法

在动态方法中,连续的气体或蒸气流过样品。该方法控制了上游的进入速率和下游的退出速率,有效地控制了腔室中吸附质的总压/浓度和流量。与静态方法相比,动态方法提供了一些好处,例如更好地防止泄漏效应,增加吸附剂上定向流动的吸附动力学。动态方法的原理如图1所示。

图片1

1 动态真空方法的原理

b) 重量法和穿透法

重量法

在重量法中,由吸附引起的重量变化是用高灵敏度的微天平直接测量的。净力可以直接或通过浮力修正等同于吸附量。重量测量是测量各种条件下气体和蒸汽吸附量的一些高精确度的方法。重量法的一个众所周知的好处是,它们通常需要少量的样品:只需1毫克就可以获得可靠的单组分测量结果。重量测量系统的另一个优点是它们可以在静态和动态模式下使用。SMS公司 DVS Vacuum吸附仪是一种对称平衡重量系统,它为研究亚大气压下的吸附过程提供了前所未有的灵活性,可满足同时使用两个样品。

穿透法

在穿透曲线分析(BTA)方法中,已知的气体混合物通过固定床或材料,并在吸附剂填充柱的末端监测其浓度。所得穿透曲线的形状提供了平衡、床层传质和动力学信息。它是为数不多的可用于确定真正多组分吸附数据的方法之一:例如,混合物中两种或两种以上组分的单独吸收量。BTA  Frontier系统是英国SMS旗舰BTA分析仪,由三个主要部分组成:产生系统、固定床和检测系统。在产生系统部分,以恒定的流量产生所需的气体混合物:CO2, H2O/或挥发性有机化合物(VOCs)在载气(例如N2)中是可行的。然后气体混合物进入吸附剂填充柱,预先在原位活化。每一种气体的浓度分布在色谱柱出口处由一套独立的检测器监测。

单成分吸附等温线

纯组分等温线是表征多孔材料的第一步,评估所研究的组分的吸附作为压力的函数。这一步表明与其他基准材料相比,该材料是否有潜力在目标应用中具有竞争力。关键性能指标,如从等温线确定吸附量,吸附焓和动力学。

举例如下:

a) MOFs样品的CO2吸附

图片3

b) 沸石的SO2吸附

图片5 

       双成分吸附

a) 静态模式CO2/H2O双组份

图片6

b) 动态模式CO2/H2O双组份

图片7 

实际工艺条件

a) DVS应用于实际工艺条件

图片8

b) BTA应用于实际工艺条件

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结论

气体捕集、分离和储存对能源和环境具有重要意义,也是工业和学术界研究的关键驱动因素。重要的是要了解广泛的吸附特性技术,并应用与材料和应用相关的技术。英国SMS提供了广泛的仪器,可以在各种模式下工作,如动态,静态,大气流动和负压。这些不同的操作模式中的每一种都可以通过设计实验以模拟各种系统时提供独特的优势。我们的专业知识和技术可以为气体捕集应用中材料筛选的每一步提供解决方案。