在高温下用合成的NaY分子筛吸附CO2和N2
摘要
具有723m2/g高表面积的NaY分子筛颗粒通过水热法来合成。用合成的NaY分子筛颗粒吸附纯的CO2和N2气体的吸附等温线被测量在303，323,348,373,398,423,448和473K的温度下和100KPa的压力下。研究发现用合成的分子筛的CO2吸附等温线比文献中报道的其他多孔介质更高。所有测量的CO2和N2的吸附等温线都符合Sips, Toth和UNILAN三个模型在测量的温度和压力范围内，同时亨利定律的吸附平衡常数被获得自三个吸附模型。在这个研究中测得的吸附平衡常数表明在高温下NaY分子筛可能有捕获燃料气体中CO2的能力。另外，等量的吸附热能通过他们的吸附等温线计算得到。研究发现温度对N2的吸附没有影响但是随着CO2吸附加载的增加呈现减少的趋势，这表明CO2和分子筛腔之间杂错分相互作用。 关键词：吸附等温线，等量吸附热，分子筛，CO2捕获 命名
b Sips模型的参数，kPa-1 c UNILAN模型的参数，kPa DQ 标准偏差，% k 实验数据的数量 K Toth模型的参数，kPa-1 m Toth模型的参数 n 吸附摩尔的大小，mol/kg
ncal 从模型中中计算的吸附体积，mol/kg nexp 从实验中计算的吸附体积，mol/kg ns 吸附模型的参数，mol/kg N 吸附加载，mol/kg P 平衡状态的压力，kPa q Sips模型的参数 Qst 等量吸附热，J/mol R 气体常数，8.314，J/mol/K s UNILAN模型的参数 T 温度，K
△n 平均的偏差百分比，%
1．简介
化石燃料作为世界各地的应用资源满足世界上超过90%的能源需求。相应的，化石燃料的燃烧是温室气体CO2的主要原因之一，而CO2被作为全球变暖影响存在的主要责任。为了减少过度的CO2排放，在许多先进的方法中，隔离和吸附被认为在捕获燃料气体碳中扮演着最有希望的角色。用微孔材料吸附气体由于其在气体隔离，气体净化和环境问题中具有非常重要的现实意义而引起人们的关注。 为设计一个高效的吸附过程选择吸附剂是非常重要的。由于吸附剂的要求，像CO2高的选择性和吸附能力，重复循环之后稳定的吸附能力和在高压气流暴露循环之后吸附剂充足的吸附/释放动力学和机械强度，做了许多努力去发展和评估微孔吸附剂的一个宽的范围，这
其中包括碳基吸附剂，金属氧化物吸附剂，水滑石类化合物，CaO基吸附剂和分子筛等。胺，特别是一乙醇胺水溶液是第一代CO2燃烧后捕获物质，因为胺吸附是可靠高效的和具有处理大量CO2合理的成本，有许多为工业应用的胺吸附的调查。分子筛作为一种独特的固体吸附剂，无论怎样在一个大的气流量中消除相对少量的CO2呈现出很高的效率。
分子筛组成的可变的筛和孔被广泛地应用于气体的隔离和净化，分子交换和催化过程。这些结晶硅铝酸盐有通过TO4形成的相对严格的三维结构，每个T原子与一个氧原子和其他四个T原子相连接形成孔和通道，通过铝离子引进该框架的可交换的阳离子位于内腔来平衡阴离子，由于分子筛有界限明确的孔和通道，按照他们多样的化学性质和几何通道，他们常被用来做不同用途的吸附剂。由于NaY分子筛有稳定的晶体结构和大的三维通道特别的在商业上有广泛的应用。NaY分子筛有相同的由12个T原子组成的7.4埃超笼结构，
图1
如图1所示。
相关的吸附平衡理论上是分析和设计吸附分离过程的基本要求。吸附平衡必须是在温度和压力可操作的宽的范围内。关于CO2吸附和分离，获得高的CO2吸附能力具有重要的意义，因为在NaY颗粒和薄膜上CO2的吸附行为影响CO2的分离和吸附。研究者做了大量的努力通过不同的吸附剂和技术来解决CO2的吸附特性。Yong等人回顾了在相对高的温度下不同吸附剂对CO2的吸附，那些吸附剂材料包括碳基吸附剂，氧化物吸附剂， CaO基吸附剂，分子筛和水滑石类化合物等，他们得出仅水滑石类化合物和碱性氧化铝有比较好的吸附CO2的能力的结论。不过，如果考虑到有几百种分子筛，他们仅选择分子筛的ASRT 5A的数据与其他的吸附剂进行比较是很不充分的。而且作为一种吸附剂，水滑石类化合物由于在室温下吸附CO2很低，因此他的应用受到限制。例如，随着温度的升高吸附CO2的数量明显的降低。但是令人惊奇的是，当温度升高到573K时吸附CO2的数量急速增加。用大量的吸附剂通过一系列实验对CO2吸附进行测量，包括NaY, NaX, ZSM-5, 5A 和 13X，得出了一个令人信服的结论：在宽泛的吸附剂选择中，分子筛 13X和 Y在给定的低压CO2供给和再生的相应条件下显示出最适合的吸附CO2能力。但是在他们的论文中其他吸附剂的CO2吸附能力像天然分子筛，β-分子筛是不行的。Li 和Tezel也对于β-分子筛和NaY分子筛比较了三维亨利定律CO2的吸附平衡常数，得出了一个相似的结论：NaY分子筛有更好的吸附能力。Siriwardane et al.，Jaramillo和 Chandross对天然分子筛和分子筛4A的CO2吸附能力
进行研究发现天然分子筛和NaY分子筛的CO2吸附能力比Harlick和Tezel报道的更低。因此，尤其是在高温下对于NaY分子筛的纯气体的吸附等温线是必要的对于研究从燃料气体中的碳捕获。
在这个实验中，我们合成了具有高表面积的NaY分子筛颗粒，在温度从303到473K合100kPa的压强条件下测量了单一气体CO2和N2在NaY分子筛中的吸附等温线。之后把现在研究中测得的CO2吸附等温线的数量和文献中的其他结果进行比较。测量的吸附等温线是与Sip, Toth和UNILAN相关的，这能广泛地应用于建模吸附。等量的吸附热能通过吸附等温线来计算得到。
2.实验 2.1 实验原料
NaY颗粒通过规律酸盐凝胶和摩尔比为SiO2:Al2O3:Na2O:H2O =12.8:1:17:675的成分来合成。合成凝胶通过在室温下混合氢氧化钠，氢氧化铝，硅酸钠溶液和蒸馏水制备而成。由此产生的凝胶需要不断搅拌和沉化24小时。水热合成NaY颗粒是在373K温度下12小时来制备。合成的分子筛离心和用蒸馏水洗涤到PH值达到7~8，获得的颗粒在383K的温度下干燥一晚上。
2.2实验设备
NaY颗粒的晶体结构和形态特征通过X射线衍射和场发射扫描电子显微镜来表征，用NaY分子筛颗粒吸附CO2和N2的吸附等温线通过加速的表面积和孔径分析系统来测量。每个吸附等温线测量之前，需要一个机械真空泵和电力泵的组合真空系统提供低于3 μm Hg的真空。为