助力碳中和，以CO2吸附为例解析穿透曲线

穿透曲线分析是一种在动态流动条件下分析材料吸附能力的强大技术。穿透曲线分析允许用户在实验过程中通过精确的温度、压力和气体流量控制来模拟实际工业条件，解析吸附质在复杂的生产工艺当中的吸附行为。

CO2 是穿透曲线分析研究最多的气体之一。CO2 涉及各种工业过程，如天然气分离、CO2 修复、气体储存以及直接空气捕集等。在本应用笔记中，以吸附 CO2 为例，向大家展示使用 Micromeritics 穿透曲线分析仪 BTA 在沸石 13X、5A 分子筛、MIL-53(Al) 和 Fe-BTC 这四种吸附材料上分析的 CO2 穿透吸附性能。

实验过程

沸石 13X 和 5A 分子筛均是一种铝硅酸盐多孔材料，它们的吸附和催化性能已经得到了非常深入的研究。本实验中使用的沸石 13X 和 5A 分子筛是 Micromeritics 的标准样，其颗粒尺寸足够大，在穿透实验中不存在压降问题。这种大颗粒尺寸的样品可以简单直接地安装到穿透曲线分析仪的不锈钢穿透柱中。样品先在 N2 氛围下 100°C 保温 2 小时以及进一步的 200°C 保温 10 小时进行原位脱气处理，之后在 10sccm N2，10sccm CO2 和 1sccm He（标定气体）的混合气流中 30°C 和常压下进行穿透实验。实验结束后，将样品重新在 N2 氛围下 30°C 脱气 2 小时以便第二次的穿透实验。重复这个过程直到收集 3 条重复的穿透曲线。

MIL-53(Al) 和 Fe-BTC 均是一种金属有机骨架 MOFs。自 2000 年起，MOFs 因其均匀的结构、大的表面积和孔体积以及高度可裁剪的结构而受到越来越多的关注。目前，剑桥晶体数据库中存在超过 10000 个 MOFs。本实验中使用的 MIL-53(Al) 是巴斯夫的 Basolite®A100，它以铝为节点，通过有机配体 1,4 苯二甲酸酯连接，形成三维纳米孔网络。MIL-53(Al) 广泛应用于 CO2/CH4 或者 CO2/N2 的分离。本实验中使用的 Fe-BTC 是巴斯夫的 Basolite®F300，它包含一个铁节点和 1,3,5-苯三羧酸配体。因 MIL-53(Al) 和 Fe-BTC 均是细粉末，需要将样品分散在石英棉里再安装到穿透柱中，防止穿透实验过程中发生压降。同样地，样品先在 N2 氛围下 50°C 保温 2 小时以及进一步的 100°C 保温 10 小时进行原位脱气处理，之后使用与沸石 13X 和 5A 分子筛相同的实验参数进行穿透实验，收集穿透曲线。

实验结果

沸石 13X（左）和 5A 分子筛（右）的 CO2 穿透曲线如图 1 所示，图中陡峭的穿透曲线说明穿透系统中几乎没有传质限制。三次重复实验的 CO2 吸附量如表 1 所示。从图 1（左）可以观察到沸石 13X 三次重复实验的穿透曲线形状和穿透发生的时间几乎相同，从 Run 1 到 Run 3，CO2 吸附量略有减少。这种轻微的吸附量损失可能是由于穿透实验结束后的再次脱气过程中没有加热，一些之前吸附的 CO2 仍残留在材料上。而在图 1（右） 5A 分子筛的三次穿透曲线显示，与 Run 1 相比，  Run 2 和 Run 3 CO2 吸附量大幅下降。这说明同样在 30°C  脱气处理后 CO2 在 5A 分子筛上的残留更强。对比左右两图可以发现，在相同条件下，5A 分子筛比沸石 13X 表现出更强的首次 CO2 吸附能力。

图1：沸石13X（左）和5A 分子筛（右）CO2 穿透曲线

MIL-53(Al)（左）和 Fe-BTC（右）的 CO2 穿透曲线如图 2 所示，左图中穿透曲线陡峭说明 MIL-53(Al) 穿透过程中几乎不存在传质限制，三次重复实验之间没有容量损失。与其他三种吸附材料相比，MIL-53(Al) 的 CO2 吸附容量最小，仅有 1.2 mmol/g。MIL-53(Al) 的穿透结果也表明将细粉末分散在石英棉中可有效地避免穿透过程发生压降。而右图中 Fe-BTC 穿透曲线坡度变缓，显示出传质限制的迹象。有意思的是，在三次重复实验中，CO2 吸附量是逐步增加的。这可能是由于 Fe-BTC 的金属位点与 CO2 之间存在有利吸附的相互作用。从表 1 中可以看到 Fe-BTC 的 CO2 吸附量小于沸石 13X，但几乎是 MIL-53(Al) CO2 吸附量的两倍。相较于 MIL-53(Al)，Fe-BTC 含有的开放金属位点在低压下能吸附更多的 CO2。

图2 ：MIL-53(Al) 和 FeBTC CO2 穿透曲线

总结

本实验采用 Micromeritics 穿透曲线分析仪BTA研究了一系列吸附 CO2 的吸附剂，从对 CO2 无亲和力的材料到对 CO2 具有强吸附力的材料，包括 MIL-53(Al)，Fe-BTC，沸石 13X 和 5A 分子筛。本笔记记录了每种材料的 CO2 吸附量。如您想要查看详细数据，欢迎扫描下方二维码免费获取。

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