文献翻译在高温下用合成的NaY分子筛吸附CO2和N2.docx

1、文献翻译在高温下用合成的NaY分子筛吸附CO2和N2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N

2、aY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-1c UNILAN模型的参数，kPaDQ 标准偏差，%k 实验数据的数量K Toth模型的参数，kPa-1m Toth模型的参数n 吸附摩尔的大小，mol/kgncal 从模型中中计算的吸附体积，mol/kgnexp 从实验中计算的吸附体积，mol/kgns 吸附模型的参数，mol/kgN 吸附加载，

3、mol/kgP 平衡状态的压力，kPaq Sips模型的参数Qst 等量吸附热，J/molR 气体常数，8.314，J/mol/Ks UNILAN模型的参数T 温度，Kn 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

4、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

5、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

6、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

7、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，-分子筛是不行的。Li 和Tezel也对于-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

8、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

9、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78，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 m Hg的真

10、空。为了消除不纯气体的影响，样品管以10K/m的升温速度升到623K并保持几小时。同时，歧管和样品管的容积被几次氦气膨胀和重新脱气所填充。然后，大量的CO2和N2通过自动控制阀门被提供到歧管和样品管。3.结果和结论图 2图2显示了合成的NaY颗粒的X射线衍射谱图和SEM图。发现大约为1 m的统一尺寸的合成的NaY颗粒与标准的NaY颗粒X射线衍射图相一致。NaY分子筛的表面积，微孔体积和孔径通过在77.3K温度下用氮气吸附通过ASAP2020系统测得。合成的NaY分子筛的比表面积为723 m2/g，微孔面积为677 m2/g和微孔体积为0.35 cm3/g。孔径尺寸分布图呈现在图3中。图3显示了

11、合成的NaY分子筛颗粒独特的尺寸分布。 用合成的NaY分子筛颗粒对单一的CO2和N2气体的吸附等温线在温度为303, 323, 348, 373, 398, 423, 448 和 473 K与压强为 100 kPa的条件下测得。图4a和4b显示了合成的NaY颗粒在不同的温度和压力下对CO2和N2各自的吸附等温线。在温度和压力的试验范围内NaY分图 3图 4子筛对CO2的吸附数量显著的比吸附N2的数量大得多。例如，303 K和100 kPa的条件下吸附CO2和N2的数量分别是4.8 mol/kg和 0.33 mol/kg。而且，当吸附温度升高的时候，发现NaY分子筛吸附CO2和N2的量减少。图5

12、比较了在温度为303K和473K的条件下合成的NaY对CO2和N2的吸附等温线。显然的，吸附气体分子的数量特别是CO2在473K比那些在303K的吸附能力更低。图 5 合成的NaY分子筛对单一气体的吸附摩尔比（CO2/N2）显示在图6中。适合于Toth模型的光滑曲线也绘制在了图中。摩尔比越大，NaY分子筛吸附CO2越多。在同样的温度下，压力增加，摩尔比减少。例如在348K温度下，摩尔比降低从105到26当压强从6.67kPa升到100kPa时。在低的压力下，摩尔比随着温度的升高而降低。然而在更高的压力下，随着温度的增加摩尔比趋于增加只到到达一个相对平坦的区图 6域。综合所有的试验温度和压力，最

13、低的摩尔比是15，此时的条件是303K和100kPa。换言之，由于CO2的优先吸附，NaY分子筛颗粒或膜对于CO2/N2混合气体可能能玩笑哼一个很好的选择性通透，这将能用于燃料气体的碳捕获。 在文献中对于适宜的多种多孔介质对CO2的吸附有很少的吸附等温线。例如，Harlick和 Tezel (2004)，Li和 Tezel (2007)在低于373K的温度下用各种的分子筛像, 5A, 13X, NaY, H-Y和H-ZSM测量CO2的吸附等温线。Siriwardane et al. (2003)用变压吸附技术主要注意力集中在天然的分子筛。Walton et al. (2006)和Maurin

14、et al.(2005)也研究了NaX和NaY分子筛对CO2的吸附等温线。在本实验中为了比较和其他实验的CO2吸附能力，在研究中我们在尽量接近文献和测量的接近室温和100kPa条件下测定CO2的吸附等温线，显示在图7中。我们发现和其他吸附剂包括NaX, 13X, ZSM-5, Zeocarbon和天然分子筛相图 7比较，本研究中NaY分子筛对于CO2的吸附等温线比Walton et al. (2006)的结果更好。在本研究中用合成的NaY颗粒在303K和80kPa的压力下吸附CO2是4.6mol/kg，而Walton et al. (2006)在298K条件下是4.9mol/kg。本研究中略高

15、于文献，然而，本研究中CO2吸附的测量在低于50kPa的压力下显然比Walton et al. (2006)获得的更高。而且在本实验中用的吸附温度是303K，而Walton et al. (2006)的那些测量都是在298K。因此我们有理由推断，本实验中合成的NaY颗粒在298K时对CO2的实际吸附要接近或高于Walton et al. (2006)获得的。换言之，可靠的结论是：与可用的文献中吸附等温线相比较，本研究中合成的NaY分子筛颗粒能够更好地完成CO2吸附过程。 需要提及的是，水分的存在影响NaY分子筛对CO2的吸附因为分子筛孔主要被水分子阻塞。在这个实验中我们测量合成的NaY分子筛对

16、CO2和N2的吸附等温线，但是我们合成捕获CO2的分子膜是在模拟的烟气水分对CO2/N2吸附和分离的影响的研究正在进行中。 吸附等温线大致可以通过这些模型来表示：Sips (Paul and Clyde 1997), Toth (Toth 1984)和 UNILAN (Hill 1949; Do 1998),分别在（1）、（2）、（3）中给出。Sips模型（1）假设吸附剂的表面是异质的且与Freundlich方程相似，这个模型一般应用在相对高的压力下，除了有限的限制如果有足够高的压力。Toth模型适合用来描述许多亚单层覆盖系统因为它简单的公式和可接受的正确性。UNILAN模型（3）假设吸附剂表

17、面的能量分布是均匀的是从假设中由经验公式派生出来的，这个假设是吸附剂的表面是由符合Langmuir等温线的理想的连续的片组成的。 我们使所有的纯的CO2和N2的测量的吸附等温线拟合于这三个模型。这些合适的吸附等温线显示在图8中。对于这三个模型所有拟合的数据除了那些在低压下的都是好的。为了更好地显示相适性，我们计算CO2和N2吸附的标准偏差DQ%，定义为图 8计算的DQ%值显示在低压下的标准偏差比高压下的标准偏差更大，而且在高压区域内所有对于这三个模型的拟合性变得更好。表1列出了所有适合Sips模型的ns, b, q参数，Toth模型的ns,K,m参数和UNILAN，模型的ns， c，s 参数。

18、ns 和 c,K, b与单层容量和亨利定律斜率相关；s,m和q是数控等温线参数；表1中的n代表拟合的吸附等温线的标准百分比偏差，定义为 表1表明应用Sips和Toth模型比UNILAN模型拟合CO2吸附更好。无论怎样，所有这三个模型对N2吸附拟合性能是相互可比的。总之，在整个实验温度范围内Toth模型比Sips和UNILAN模型能提供更好的拟合数据。由于在不同的温度条件下吸附等温线符合亨利定律，我们在图9a和9b中我们绘制每个吸附CO2和N2的模型各自的斜率， 我们能观察到对于参数ns的一个很好的线性关系，它是吸附温度的倒数。对于模型Sips，Yoth和UNILAN的线性拟合的相关系数分别对C

19、O2是1.000,1.000和1.000，对于N2是0.980, 0.984和0.975 。图 9吸附等量的热，在估计吸附气体分离过程完成中一个重要的设计变量是衡量吸附和吸附分子以及吸附剂表面具活性的异质之间的相互作用。假如吸附剂是均质的，随着吸附载荷的增加，将显示一个恒定的值。假如随着吸附量的增加减少，吸附剂表面具有活性的异质将泄漏，但是随着载荷的增加，热量增加，这是由于在高的表面覆盖范围下吸附剂分子内部更强的相互作用。等量吸附热的理论和实验研究已经完成包括分子筛在内的各种微孔和介孔吸附剂的大量吸附。那些吸附-吸附剂系统观察了所有三个热量的趋势。在本实验中测量单一的CO2和N2气体在特定吸附

20、加载条件下吸附等量热Qst是通过克劳修斯-克拉贝龙公式计算得到的对于给定数量的吸附气体如果Qst是温度独立的，lnP对1/T绘制的应该显示是一条直线。图 10用合成的NaY分子筛吸附等量热作为吸附CO2和N2的一种功能显示在图10中。用NaY对N2的等量吸附热有很小的改变，表明N2的弱极距和NaY之间的相互作用不引入N2显著的吸附异质性。相反的，CO2吸附等量热显示从40到12kJ/mol减少。覆盖范围热量的减少是由于Na+和CO2四极距之间的相互作用，这表明CO2大的四极距和吸附剂NaY分子筛之间强大的相互作用。CO2加载热改变的同样的趋势也在其它文献中发现。Khelifa et al把Cr

21、3+引入NaY分子筛吸附等量热连续的减少，这可以归因于在分子筛强中显示一个静电场逐步减弱。这表明 CO2和分子筛表面之间的相互作用随着CO2加载逐步减小。在本实验中NaY吸附CO2随着CO2的加载有一个相似的弱化CO2和分子筛腔相互作用的过程，这可能导致了等量吸附热的减少。4.结论 具有723m2/g的高的表面积的NaY分子筛颗粒通过水化热的方法合成。用合成的NaY分子筛颗粒对纯的CO2和N2气体的吸附等温线在303, 323, 348, 373, 398, 423, 448 和 473 K温度与 100 kPa压力的条件下测量。所有吸附数据对于Sips, Toth和UNILAND三个模型都是

22、相关的。通常，在测量温度和压力条件下CO2的吸附量比N2的更高，而且高的摩尔比也被观测到。与文献中可得到的多种分子筛对CO2吸附等温线相比，本实验中合成的NaY分子筛颗粒显示了对CO2更好的吸附性能。我们发现NaY分子筛对于CO2和N2的吸附等温线对Sips,Toth和UNILAN三个模型有很好的相关性，我们还能能观察到对于参数ns的一个很好的线性关系，它是吸附温度的倒数对于这三个模型。从这些吸附等温线中计算等量的吸附热显示温度对N2吸附几乎没有影响，但是随着CO2吸附加载的增加他们有一个明显的减少，这表明CO2和分子筛腔之间相互的异质。本实验中水热法合成的NaY分子筛显示对CO2分离很好的吸附行为，这可能成为从燃料气体中捕获碳的很好的一个选择。