改性活性氧化鋁的二氧化碳吸附性能研究

王志強，陳彬劍，焦 健

(山東建筑大學，山東 濟南 250101)

1 概述

沼氣是清潔可再生能源，主要組分為甲烷和二氧化碳，沼氣經過提純應滿足相關技術標準，其中CO2體積分數應小于3.0%。氨溶液化學吸收法脫碳以其高脫碳效率和高選擇性成為目前主要的脫碳方式之一，但是氨溶液存在腐蝕管道、解吸能耗大、易降解、有毒等問題[1]。吸附法因成本低、無腐蝕、設備簡單等優點有望成為捕獲CO2的替代技術[2]。活性氧化鋁是最常見的工業吸附劑之一，具有高比表面積和活性，機械強度高，成本低，但吸附量較小。目前主要通過改性提升其吸附量，文獻[3]介紹的DBU改性活性氧化鋁，室溫下CO2吸附量為9.05 mL/g，可見目前的改性方法對于吸附量的提升并不明顯，且對活性氧化鋁的改性研究較少。文獻[4]以二乙烯三胺浸漬硅膠，25 ℃時，負載質量分數為10%的二乙烯三胺可以獲得20 mL/g的CO2吸附量。Ma等人[5]以尿素作為氮源引入沸石咪唑酯骨架制備了多孔碳材料，證明含氮堿基可以增強吸附劑與CO2的親和力，短鏈胺比長鏈胺更易發生降解，長鏈胺可更穩定地負載于吸附材料內。可見文獻[4-5]均使用帶有大量氨基的有機胺改性吸附劑，使CO2吸附量顯著提升。為進一步提升活性氧化鋁的CO2吸附量，提高沼氣脫碳效率，本文使用含更多氨基的長鏈胺——五乙烯六胺(PEHA)來改性活性氧化鋁，進行相關實驗。

本文吸附量均為標準狀態(0 ℃，0.101 325 MPa)下的值。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料和條件

活性氧化鋁(球狀，直徑6～8 mm)、PEHA、無水乙醇，純度均為分析純；去離子水，實驗室自制。大氣壓力為0.101 325 MPa。

2.2 改性活性氧化鋁的制備

將一定量PEHA溶解于50 mL無水乙醇中，于恒溫攪拌水浴鍋中70 ℃密封攪拌20 min。稱取活性氧化鋁5 g，置于上述攪拌均勻的溶液中，70 ℃恒溫密封攪拌4 h。將浸漬后的活性氧化鋁過濾洗滌后，先置于鼓風干燥箱內150 ℃干燥2 h，再置于真空干燥箱內在-0.097 MPa、150 ℃條件下干燥2 h，得到PEHA改性活性氧化鋁，密封保存。PEHA改性活性氧化鋁(以下簡稱改性活性氧化鋁)記為Al2O3-PEHA-X，其中X為無水乙醇中溶解的PEHA體積的數值，對應單位為mL。

2.3 CO2靜態吸附實驗

采用靜態吸附法對改性活性氧化鋁的CO2吸附量進行測試，吸附裝置見圖1[6]，吸附劑已放置于吸附槽內。實驗過程如下。

① 測試系統密封性

所有閥門都處于關閉狀態，將改性活性氧化鋁放入吸附槽C2，通過恒溫水浴鍋設置吸附溫度(25、40、55、70 ℃)。打開閥門V3、V4、V6，通過真空泵排空系統內的氣體，壓力低于-0.096 MPa時關閉閥門V6，5 min內壓力表示值無明顯升高證明密封性良好，記錄此時壓力表示值p1，關閉閥門V3、V4、V6。

② 測試系統內的死體積

死體積是指填裝吸附劑后，裝置內不發生吸附反應的無效體積。由于He為惰性氣體，與改性活性氧化鋁不發生吸附反應，且排空后He不會在改性活性氧化鋁孔道內殘留，因此選取He測試裝置內的死體積。打開閥門V1、V3，通入He至參比槽C1，當壓力表示值達到吸附壓力(0.5 MPa)時關閉閥門V1并記錄此時壓力表示值p2；打開閥門V4并記錄此時壓力表示值p3。通過p1、p2、p3和實際氣體狀態方程計算死體積[7]。此過程重復兩次，確保死體積計算正確。

③ 測試CO2吸附量

a.打開閥門V5，放空裝置內的He至壓力表示值為0.02 MPa，確保空氣無法進入吸附裝置，關閉閥門V5，打開閥門V6使用真空泵排空系統內的氣體，壓力低于-0.096 MPa時關閉閥門V6，記錄此時壓力表示值p4并關閉所有閥門。b.打開閥門V2、V3，CO2氣體進入參比槽C1，當壓力表示值達到吸附壓力時關閉閥門V2并記錄此時壓力表示值p5。c.打開閥門V4開始CO2吸附，當壓力表示值不再變化時，認為吸附達到平衡。吸附時間取25 min，記錄吸附后的壓力表示值p6。CO2吸附量通過p4、p5、p6、死體積和實際氣體狀態方程計算[7]。

④ 死體積和CO2吸附量計算

在吸附量計算中，進行如下假設：忽略管路體積；實驗過程中參比槽、吸附槽、管路溫度分布均勻且為恒溫水浴鍋的設定溫度。

在吸附槽內死體積的計算過程中，將測試系統密封性結束時p1下吸附槽、參比槽內的空氣視為He。吸附槽內死體積的計算見下式：

(1)

式中Vd——吸附槽內死體積，mL

Vc——參比槽體積，mL

p2、p3、p1——測試過程中的壓力表示值，MPa

在CO2吸附量計算過程中，將測試CO2吸附量a步驟結束時p4下吸附槽、參比槽內的He視為CO2。吸附劑的CO2吸附量計算見下式：

(2)

式中Vg——吸附劑的CO2吸附量，mL/g

p5、p6、p4——測試過程中的壓力表示值，MPa

T0——標準狀態溫度，K，為273.15 K

p0——標準狀態壓力，MPa，為0.101 325 MPa

T——CO2吸附實驗測試溫度，K

m——吸附槽內吸附劑質量，g

圖1 CO2靜態吸附裝置

2.4 重復性實驗

重復使用性是吸附劑能否在工業中推廣的重要指標，為探究改性活性氧化鋁的重復使用性，待改性活性氧化鋁吸附平衡后，打開閥門V5放空系統內的CO2，關閉閥門V5，打開閥門V6對改性活性氧化鋁在吸附溫度下抽真空至-0.096 MPa進行解吸，直至壓力表示值不再變化。隨后在相同吸附溫度、吸附壓力下重復CO2吸附過程，吸附時間仍為25 min。

2.5 表征實驗

對改性活性氧化鋁分別進行X射線粉末衍射實驗(XRD)、傅里葉變換紅外光譜實驗(FTIR)和氮氣吸附脫附實驗(BET)。X射線粉末衍射實驗使用日本理學株式會社的SmartLab·SE型、smartlab·studio系統的X射線衍射儀對改性活性氧化鋁物相變化進行分析，測試溫度為25 ℃，X射線掃描范圍為5°～90°，測試電壓40 kV，測試電流40 mA。傅里葉變換紅外光譜實驗使用布魯克儀器公司的TENSOR·27型、OPUS系統的傅里葉變換紅外光譜儀，對改性活性氧化鋁負載官能團的變化進行分析，測試溫度為25 ℃，紅外線波數范圍為500～4 000 cm-1。氮氣吸附脫附實驗使用日本麥奇克拜爾有限公司的BELSORP-max型全自動孔隙結構分析儀對改性活性氧化鋁孔徑分布和比表面積變化進行分析，測試前將改性活性氧化鋁在150 ℃環境下真空脫氣24 h，測試溫度為-196 ℃，測試相對壓力(測試壓力與測試溫度下氮氣的飽和蒸氣壓之比)為0～0.995。

3 結果與討論

3.1 吸附劑表征

① X射線粉末衍射實驗

圖2為X射線粉末衍射實驗測得的改性活性氧化鋁XRD圖。從圖2可以看出，隨著PEHA含量增加，改性活性氧化鋁的衍射峰強度先升高后降低，說明改性活性氧化鋁結晶性較差，晶粒尺寸先增大后減小[8]。在衍射角為14°、28°、38°、49°、64°、67°、72°時的衍射峰均對應了晶相為γ-Al2O3(對應的標準卡卡號為PDF#74-1895)的活性氧化鋁的特征峰，說明改性活性氧化鋁的晶體結構沒有改變。

圖2 改性活性氧化鋁XRD圖

② 傅里葉變換紅外光譜實驗

圖3為傅里葉變換紅外光譜實驗測得的改性活性氧化鋁的FTIR圖。圖中波數3 294 cm-1對應的吸收峰為O-H鍵的伸縮振動峰，1 649 cm-1附近強度較弱的寬峰為Al-OH鍵的伸縮振動峰，1 069 cm-1對應的吸收峰為改性活性氧化鋁表面羥基的吸收峰。定義某波數對應的吸收峰強度與后續首個吸收峰強度峰值之差為峰高。隨著PEHA含量增加，波數3 294 cm-1、1 649 cm-1、1 069 cm-1對應的峰高均降低，說明PEHA不僅負載于活性氧化鋁的孔道，PEHA的氨基還與活性氧化鋁表面的羥基發生了反應[9]。

波數885 cm-1對應的吸收峰為Al-O鍵的振動峰，743 cm-1和590 cm-1對應的吸收峰分別為AlO4和AlO6晶體結構的吸收峰，歸因于Al-O-Al金屬鍵的彎曲振動和對稱伸縮振動[10]。改性活性氧化鋁波數885 cm-1、743 cm-1、590 cm-1對應的吸收峰強度與改性前變化不大，證明PEHA沒有破壞活性氧化鋁的原有結構。

圖3 改性活性氧化鋁的FTIR圖

③ 氮氣吸附脫附實驗

圖4為改性活性氧化鋁的氮氣吸附、脫附等溫線BET圖。氮氣吸附、脫附等溫線指在測試溫度下，氮氣吸附量或脫附量隨氮氣相對壓力(氮氣測試壓力與氮氣在測試溫度下的飽和蒸氣壓之比)的變化曲線。測得的改性活性氧化鋁孔結構參數見表1。

圖4 改性活性氧化鋁的氮氣吸附、脫附等溫線BET圖

表1 改性活性氧化鋁的孔結構參數

由圖4可知，根據IPUAC分類，Al2O3-PEHA-0、Al2O3-PEHA-0.5的氮氣吸附、脫附等溫線為典型的Ⅳ型等溫線，兩種材料在0.5≤氮氣相對壓力≤0.9范圍內出現H3型滯后環，這是氮氣在孔道中的毛細凝聚引起的，說明改性活性氧化鋁為典型的縫型孔結構，在較高相對壓力下對吸附沒有限制。實驗得知孔徑主要分布于2.5 nm處，表明活性氧化鋁為典型的介孔材料。由表1可知，與Al2O3-PEHA-0相比，Al2O3-PEHA-0.5的比表面積和孔容小，平均孔徑大。Al2O3-PEHA-0.5的比表面積和孔容小，歸因于PEHA分子占據和填充了活性氧化鋁孔道[11]，平均孔徑增大歸因于少量PEHA分子被微孔捕獲[12]。

3.2 CO2吸附性能

為探究PEHA含量和吸附溫度對改性活性氧化鋁CO2吸附性能的影響，將Al2O3-PEHA-X分別在吸附溫度為25、40、55、70 ℃條件下進行CO2靜態吸附實驗，吸附壓力為0.5 MPa，吸附時間為25 min，得到不同PEHA含量和不同吸附溫度下改性活性氧化鋁CO2靜態吸附曲線，見圖5。

圖5 不同PEHA含量和不同吸附溫度下改性活性氧化鋁CO2靜態吸附曲線

已知活性氧化鋁的CO2吸附量為16.92 mL/g。由圖5可知，在吸附溫度為25 ℃時， Al2O3-PEHA-0的CO2吸附量較活性氧化鋁有所提升，這是由于乙醇增加了活性氧化鋁表面的羥基，羥基通過與CO2分子間形成氫鍵來捕獲CO2，且羥基中的氧原子含有一定電荷[5，13]，較高的靜電勢強化了活性氧化鋁對CO2的靜電吸附。Al2O3-PEHA-0.5的CO2吸附量為19.55 mL/g，比活性氧化鋁提升15.5%。吸附量增加的原因，一是羥基與CO2之間的氫鍵作用，二是PEHA分子含有大量氨基，增強了活性氧化鋁對CO2的親和力[14]，氨基與CO2反應生成氨基甲酸鹽[9]。

當PEHA含量一定時，在吸附溫度為25 ～70 ℃范圍內，隨吸附溫度升高，CO2吸附量下降。這是由于吸附溫度升高使改性活性氧化鋁熱力學能增加，CO2與改性活性氧化鋁之間弱的相互作用不足以使兩者保持鍵合，強化了CO2的物理脫附過程[15]。在吸附溫度一定時，隨PEHA含量增加，CO2吸附量整體呈先增加后降低的趨勢，在PEHA含量大于2 mL時，CO2吸附量下降尤為明顯。吸附量下降是由于PEHA為長鏈胺，空間位阻效應更強，PEHA含量較高時，不僅影響了PEHA氨基與CO2之間的反應，而且阻礙了CO2與改性活性氧化鋁活性位點的接觸[16]，這與文獻[17]報道的高PEHA負載量下可堵塞高嶺土孔道從而影響CO2與氨基接觸的結果一致。

3.3 吸附劑的重復使用性

Al2O3-PEHA-0.5在吸附溫度為25 ℃、吸附壓力為0.5 MPa條件下進行CO2吸附量的重復性實驗，重復使用5次，實驗結果見表2。Al2O3-PEHA-0.5在第2次吸附時吸附量下降3.44 mL/g，即吸附量下降17.6%，隨后基本保持穩定。

表2 Al2O3-PEHA-0.5重復使用5次的CO2吸附量

3.4 CO2吸附動力學

為探究CO2的吸附動力學，采用準一級動力學模型、準二級動力學模型、Elovich動力學模型[18]對Al2O3-PEHA-0.5在吸附溫度為25 ℃、吸附壓力為0.5 MPa時不同吸附時間的CO2吸附量進行擬合，擬合曲線見圖6。由圖6可知，準二級動力學模型能更好地描述Al2O3-PEHA-0.5的吸附動力學過程，擬合參數R2超過0.99，表明吸附過程主要由化學吸附控制。

圖6 Al2O3-PEHA-0.5的吸附動力學擬合曲線

3.5 CO2吸附熱力學

為探究CO2吸附過程的自發性和可行性，根據Al2O3-PEHA-0.5在吸附溫度為25、40、55、70 ℃、吸附壓力為0.5 MPa條件下的CO2吸附量實驗數據，由式(3)、(4)計算得到對應條件下吸附前后改性活性氧化鋁的摩爾吉布斯自由能變化，見表3。對lnK和T-1進行線性擬合，通過該擬合曲線和式(5)計算得到標準摩爾焓變ΔHm、標準摩爾熵變ΔSm，見表3。

ΔGm=-RTlnK

(3)

式中 ΔGm——吸附前后改性活性氧化鋁的摩爾吉布斯自由能變化，kJ/mol

R——摩爾氣體常數，J/(mol·K)，為8.314 J/(mol·K)

K——平衡常數

(4)

式中patm——大氣壓力，MPa

(5)

式中 ΔSm——標準摩爾熵變，kJ/(mol·K)

ΔHm——標準摩爾焓變，kJ/mol

表3 Al2O3-PEHA-0.5的熱力學參數

由表3可知，ΔGm、ΔHm、ΔSm均為負值，說明吸附過程放熱，反應自發進行。ΔGm為-54.35～-46.09 kJ/mol，表明吸附過程以化學吸附為主[19]。隨著吸附溫度升高，ΔGm絕對值降低，表明吸附溫度的升高加劇了脫附過程，阻礙了吸附反應的進行[18]。

4 結論

① 通過對改性活性氧化鋁進行X射線粉末衍射實驗(XRD)、傅里葉變換紅外光譜實驗(FTIR)和氮氣吸附脫附實驗(BET)可知，PEHA成功負載于活性氧化鋁且沒有破壞活性氧化鋁原有結構，但導致其比表面積和孔容有所降低。

② 當PEHA含量一定時，在吸附溫度為25～70 ℃范圍內，隨吸附溫度升高，改性活性氧化鋁的CO2吸附量下降。在吸附溫度一定時，隨PEHA含量增加，改性活性氧化鋁的CO2吸附量呈先增加后減小的趨勢，當PEHA含量大于2 mL時，CO2吸附量下降尤為明顯。

③ Al2O3-PEHA-0.5經過5次重復使用，保持了約81%的吸附能力。在第2次吸附時CO2吸附量下降17.6%，隨后基本保持穩定。

④ 改性活性氧化鋁的CO2吸附過程符合準二級動力學模型，表明吸附過程主要由化學吸附控制。吸附過程放熱，反應自發進行，吸附溫度升高不利于吸附反應進行。