應用故事 | 高溫下Na2ZrO3 對CO2 吸收性能的實驗研究

CO2作為一種主要的溫室氣體，其與全球變暖、氣候變化息息相關，它的排放正日益受到人們的關注。其中石化燃料的燃燒是CO2的一大來源，因此，有必要采取適當措施減少二氧化碳排放。

石化燃料的CO2的排放方式主要是通過煙道氣，煙道氣的溫度較高，一般均在350度以上，由于氣體溫度較高，而大多數的常規吸附都是物理吸附，一般的物理吸附量隨溫度的升高而降低，故不適合高溫使用，因此需要對煙道氣中的CO2進行降溫等處理。這就導致了脫附周期變長，降低了熱氣和吸附劑的最大接觸面積。故有必要進行高溫CO2化學吸附劑的研究。該吸附劑可以在高溫區直接吸收CO2，省去了冷卻過程，實現了混合氣體的高效分離。

高溫CO2化學吸附劑主要有：氨水吸收劑、鈣基吸收劑和鋰基吸收劑。其中鋰基吸收劑在反應過程中可將CO2由氣態轉變成固態，方便儲存和運輸，當使用時，加熱至一定溫度即可釋放出CO2，鋰基吸收劑正成為高溫CO2吸附研究的熱點。

在這些堿金屬陶瓷吸附劑中，同為堿金屬族的Na2ZrO3具有更低的制備成本、更快的吸附能力和更高的吸附溫度，因此引起了許多學者的關注和重視。大連理工大學姬國釗老師團隊在Na2ZrO3對CO2的吸附-脫附研究中頗有進展[1]。

Na2ZrO3可以與CO2發生如下反應：

Na2ZrO3 + CO2 ?  Na2CO3 + ZrO2   （1）

由反應式可知，Na2ZrO3對CO2的理論最大吸收量可達23.8%。Na2ZrO3對CO2的吸附溫度在400°C～800°C。當溫度低于800度時，反應向正方向自發進行，Na2ZrO3可與CO2發生反應，最終CO2以Na2ZrO3形態存在；當溫度高于800度時，反應向逆方向自發進行，Na2ZrO3分解放出CO2，重新形成Na2ZrO3，從而能循環進行CO2的吸附/脫附。

本文利用耐馳同步熱分析儀STA 2500研究了Na2ZrO3對CO2的吸附-脫附特性，并比較了不同制備方法得到的Na2ZrO3的吸附/脫附性能差異。（參考文獻）

儀器：Netzsch STA 2500

樣品：

在STA2500中進行CO2循環吸附-脫附性能測試，取約10mg吸附劑置于氧化鋁坩堝中，在純N2氛圍下（氣體流量100ml/min）以20℃/min的加熱速率從室溫加熱到850℃，維持10min去除催化劑中的雜質，接著以同樣的加熱速率從850℃降到650℃。溫度達到650℃時，切換至15%CO2（氣體流量15ml/min），以N2平衡（氣體流量85ml/min），進行吸附反應，30min；最后，以相同的加熱速率在純氮氣氛圍（100%N2, 氣體流量100ml/min）從650℃加熱到850℃，脫附CO2，10min。循環操作10次，測試吸附劑的穩定性能。

圖1是四種不同合成條件下的Na2ZrO3的CO2循環吸附曲線。由圖可知，濕混合法制得的Na2ZrO3（WM-HD和WM-FD）具有更好的吸附性能，其中WM-HD的CO2吸附量（18.85%）最佳，且穩定性良好。當反應至第八個循環，四種吸附劑的吸附性能趨于穩定。由第八個吸附循環可知，WM-HD的吸附量最大，為18.85%，四種吸附劑的吸附量從大到小依次為：WM-HD＞WM-FD＞SG-FD＞SG-HD

由圖1的熱失重（TG）曲線可以得到熱重微分（DTG）曲線（即dm/dt曲線，將TG曲線上的各點對時間進行一次微分的曲線)，表示重量變化速度隨溫度/時間的變化，這里可理解為四種不同合成條件下的Na2ZrO3的第八個循環的CO2吸附速率曲線。如圖2即為四種吸附劑在第八個循環的CO2吸附速率（DTG）曲線。從圖中可知，尤其是在初始吸附階段（481.0min-481.7min），四種吸附劑的吸附速率從大到小分別為SG-FD＞SG-HD＞WM-FD＞WM-HD。

可見對于吸附劑的氣體吸附與脫附測試，耐馳同步熱分析儀STA 2500是可以勝任的。

圖1 四種不同合成條件下的Na2ZrO3的CO2循環吸附（TG）曲線

圖2 四種吸附劑在第八個循環的CO2吸附速率（DTG）曲線

[1] D. Zhou, Y. Wang, M.Z. Memon et al. The Effect of Na2ZrO3 Synthesis Method on the CO2 Sorption Kinetics at High Temperature. Carbon Capture Science & Technology, 3, (2022), 100050.

作者

盛沈俊

耐馳儀器公司應用實驗室