功能化Cu基金属有机框架材料捕集CO_2性能研究

【摘要】：“温室效应”作为全球环境问题之一,受到广泛的关注。而温室效应的主要责任气体是CO2,它的排放量日益增加给全世界的气候环境带来了巨大的压力。温室气体CO2减排需求迫切,CO2捕集与分离技术的发展则尤为重要。而金属有机框架(MOFs)材料对捕集CO2具有明显的优势。为提高MOFs对CO2的吸附性能,本文合成了掺杂胺修饰氧化石墨的MOFs复合材料(MOF/GO-Arg),即引入胺修饰层状氧化石墨进入金属有机框架材料中,目的在于调节MOFs孔径的同时引入定向吸附CO2的活性基团。使用X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)、N2吸-脱附、热重和扫描电镜(SEM)等方法对母体材料及其复合材料的结构及化学性质进行表征分析。同时,在不同温度、不同模拟烟气流量和多种湿度条件下对复合吸附剂的C02吸附性能进行比较。接着,使用4种动力学模型对不同条件下的吸附曲线进行拟合,寻找最佳的动力学模型。最后,探究在最佳的温度、流量和高湿度条件下的吸附剂的循环吸脱附性能。论文的主要内容及结果如下:1.合成了母体材料Cu-BTC、加入氧化石墨的复合材料(MOF/GO)以及掺杂L-精氨酸功能化氧化石墨的复合材料(MOF/GO-Arg),对它们进行各种手段的表征,发现MOF/GO-Arg无论是从结构还是化学性质上,都优于其他两种材料。2.搭建固定床模拟烟气捕集装置,在CO2-N2混合气中进行CO2动态吸附实验。实验结果显示,25℃、50℃和70℃温度下,MOF/GO-Arg在50℃时吸附量最大;在每个样品吸附效果最优的温度下使CO2混合气流量分别为40 mL/min、60 mL/min和80 mL/min,三个样品的质量为1g时均在40 mL/min时的吸附容量大于其他流量,其中MOF/GO-Arg的吸附效果最好,达3.371 mmol/g。最后,在各吸附剂最佳温度、最佳流量时,对比不同湿度下CO2吸附性能,发现MOF/GO-Arg抗湿性能依次优于MOF/GO和Cu-BTC。3.利用四个动力学模型评估了不同吸附温度、烟气流量以及湿度条件下三种MOFs材料的吸附行为,发现分数阶动力学模型是描述MOF/GO-Arg复合吸附剂CO2吸附行为的最佳模型。4.除了研究金属有机框架复合材料的吸附效果外,它的循环吸-脱附性能也是衡量其吸附能力优劣的重要指标。三个样品分别在最佳温度、流量和高湿度下,对其进行连续10次循环吸-脱附,考察重复利用率。结果表明,经过重复实验,三种样品的吸附性能没有特别明显的下降,其中MOF/GO-Arg重复使用效果最好。