可循环再生的固体吸附剂在潜艇、航空、航天飞机等密闭体系中具有突出的优势。氨基功能化固体吸附剂是一种以多孔材料为载体,通过引入氨基功能化试剂形成的材料,其制备方法简单、CO2吸附量大、再生过程能耗较低,是一种极具应用前景的新型吸附剂。目前氨基功能化固体吸附剂的载体多为纳米多孔氧化硅,包括SBA-15、MCM-41、KIT-6等,文献记录其吸附量最高可以达到132mg/g。但是KIT-6等介孔氧化硅材料制备过程繁琐、价格昂贵,不适合大规模工业应用。气相二氧化硅是一种白色、蓬松、无定形的粉体,具有质轻、多孔、比表面积大(通常介于100-400m2/g)、化学稳定性好、成本低廉等诸多优点,是一种理想的吸附剂载体。
将甲醇和聚乙烯亚胺(PEI)混合后加入气相二氧化硅制备吸附剂,选取三种不同比表面积的气相SiO2作为吸附剂载体进行对比实验。在40%CO2/N2混合气氛中,100℃的条件下测试吸附剂的CO2吸附量,对比了不同载体对CO2吸附性能的影响。比表面积为355、311和142m2/g的气相二氧化硅分别命名为样品1、样品2和样品3。
图2是三种不同样品的氮气物理吸附/脱附等温线,三条曲线均呈现IV型等温线,H3型回滞环。表1列出了三种样品的比表面积、孔结构数据和CO2吸附量。可以看出吸附剂的CO2吸附量与所用载体的孔径和介孔体积成正相关。采用孔径和介孔体积最大的样品3所合成的吸附剂性能最优,CO2吸附量达到130.0mg/g;采用孔径和介孔体积最小的样品1所合成的吸附剂性能最差,CO2吸附量达到111.0mg/g。
因此可以得出结论,PEI修饰的气相SiO2吸附剂对CO2的吸附性能与所用载体的孔径和介孔体积成正相关,而与比表面积没有直接关系。大的孔径和介孔体积为PEI提供了更大的附着空间,使其分布更加均匀,在容纳更多PEI的同时不会阻塞孔道,使得吸附剂暴露更多的活性位点,故吸附性能更高。
该类型吸附剂具有优异的循环性能,并且吸附剂低于150℃时结构稳定不分解,可用于较高环境温度下的CO2脱除。该类型吸附剂成本低廉易获得、制备方法简单、CO2吸附性能优异且具有良好的热稳定性与可再生性能,是一种理想的可循环再生的固体吸附剂。