近期，中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院在分離純化技術(shù)領(lǐng)域權(quán)威TOP期刊《Separation and Purification Technology》上發(fā)表了題為“High stability and strong hydrophobic hindrance effect of core-shell NaX/polyacrylate composite for CO2 capture”的工作，展示了安全環(huán)保院在碳捕集方面的最新進展。工作報道了安全環(huán)保院研發(fā)出的一種具有核殼結(jié)構(gòu)的新型CO2吸附劑，解決了現(xiàn)有吸附劑在有水的情況下難以維持良好的CO2吸附能力的難題，創(chuàng)新提出了一種粉末材料成型的新技術(shù)，同時在多次循環(huán)測試中保持性能穩(wěn)定，具有工業(yè)應(yīng)用潛力。

2023年，全球能源相關(guān)的二氧化碳排放量增長了1.1%，增加了4.1億噸，達到374億噸的新高。在不可能完全放棄化石能源的情況下，CCUS技術(shù)被視為實現(xiàn)溫度控制目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)手段和自下而上的技術(shù)保證。在眾多碳捕集技術(shù)中，有機胺溶液吸收法被認為是最成熟的燃燒后二氧化碳捕獲技術(shù)，目前正處于商業(yè)化階段，但是節(jié)能降耗的潛力較小。相比之下，固體吸附技術(shù)沒有溶劑蒸發(fā)造成的額外能耗，沒有設(shè)備腐蝕，運行成本低，工藝簡單，具被認為極具應(yīng)用前景的下一代捕集技術(shù)。

對于固體吸附技術(shù)，多孔材料直接影響二氧化碳捕集的效率和成本。然而，到目前為止，開發(fā)的吸附材料還沒有實現(xiàn)高CO2吸附容量、快速吸附/解吸動力學(xué)、高選擇性、高水穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、低解吸溫度、低原料成本和良好的幾何結(jié)構(gòu)等所有性能的統(tǒng)一，吸附技術(shù)的潛在優(yōu)勢也沒有得到充分發(fā)揮。分子篩是一種由鋁硅酸鹽組成的多孔晶體材料，在氣體分離領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。然而，為了將應(yīng)用擴展到實際工程中，仍有環(huán)境濕度顯著增加再生能耗，抑制分子篩對CO2吸附作用充分發(fā)揮和分子篩粉末難以直接應(yīng)用的問題需要解決。

 

圖1 吸附劑的工作原理圖

為了應(yīng)對以上問題，安全環(huán)保院通過結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)策略和原位生長技術(shù)實現(xiàn)了分子篩與大孔聚合物的復(fù)合，成功開發(fā)了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的毫米級球形吸附劑。借助于合成的特色模板劑原位調(diào)節(jié)了分子篩晶體結(jié)構(gòu)，并耦合疏水性聚合物賦予材料疏水外殼，完成了兩者結(jié)構(gòu)和功能的獨特耦合。與原始分子篩相比，開發(fā)的吸附劑吸水率（25℃，11%RH）降低了64.77%，即5.20 mmol/g。除此之外，經(jīng)調(diào)制的分子篩納米晶體暴露出更易接近的吸附活性位點，使吸附劑的CO2工作容量增加到原始分子篩的1.3倍。

圖2 (a)材料在40℃下的CO2吸附等溫線;(b)材料在120℃下的CO2吸附等溫線;(c)大孔聚合物材料在40℃和120℃下的CO2吸附等溫線;(d)材料的CO2工作吸附容量

據(jù)我們所知，這是即使在材料疏水改性后仍能保持優(yōu)異氣體吸附性能吸附劑的最佳案例。更重要的是，在100次吸附-解吸循環(huán)中，吸附劑的CO2吸附容量幾乎沒有下降。綜合材料成本和性能，開發(fā)的吸附劑表現(xiàn)出應(yīng)用潛力。這項工作提供了一種通用的解決方案，可以提高分子篩類材料的表面疏水性，同時在實際應(yīng)用中保持其高CO2吸附能力。

圖3 吸附劑的CO2吸附-解吸循環(huán)穩(wěn)定性

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https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129689