活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　二氧化碳的獲取主要集中在發電廠中的應用。然而，在某些情況下，在獲取二氧化碳之前需要進行氣體預處理。從環境空氣中捕獲二氧化碳需要具有非常低壓降的吸附劑，碳酸鉀是高度吸濕的鹽，這一方面對于從環境空氣中捕獲二氧化碳效果很好。在本實驗中，蜂窩活性炭體整用碳酸鉀涂覆，并用濕氮氣處理以使其水合。根據實驗的因子設計，研究其二氧化碳的吸附能力和溫度，空氣含水量和空氣流速對活性炭吸附的影響。

　　根據儀器測試活性炭的表征

　　圖1a顯示了在40℃和相對濕度為53%下水合處理后活性炭載體，吸附劑和活性炭X射線衍射圖。由于碳酸鉀倍半水合物的反射特性的存在證實了鹽在載體上的負載。由于載體中加載的鹽量低，解釋了這些反射的低強度，5.58wt%。其余的峰對應于載體中的不同相，例如碳和二氧化硅。圖1b顯示了活性炭載體的SEM照片。如圖中所看到的圖中，信道是正方形幾何形狀的具有每邊1.979±0.006毫米的長度，并且所述通道之間的壁的厚度是0.651±0.022毫米。圖1c示出了通道的內壁的表面上，他們看起來很同質。

　　圖1：吸附劑和活性炭的X射線衍射圖與SEM照片。

　　水化實驗的結果

　　根據以前的測試結果，當相對濕度在6至10%的范圍內并且其在40%以上潮解時，碳酸鉀在25℃開始水合。如圖2所示活性炭載體和吸附劑在40℃下的水吸附容量。活性炭載體的吸收在相對濕度為60%下急劇增加，在相對濕度為80%下達到最大23%的重量增加。在那里，吸附劑的吸收量幾乎是載體的6倍，并且最重要的是，它遠遠高于理論上形成碳酸鉀倍半水合物所需的量。這種顯著差異的原因是鹽在約相對濕度為43%下潮解，因此所有過量的水在載體材料的孔中冷凝，產生鹽的水溶液。

　　圖2：載體和吸附劑在40°C不同相對濕度下的吸水量。

　　吸附實驗中二氧化碳的突破

　　圖3顯示了實驗的二氧化碳突破，除了中心點一式三份。值得注意的是，對于兩個吸附溫度，線條根據流速配對。活性炭以5L每分鐘的二氧化碳吸附量達到出口中的最低二氧化碳濃度。該較低的出口二氧化碳濃度是氣體在反應器中停留時間較長的結果。觀察在40°C下完成的實驗。

　　圖3：(a)20°C和(b)40°C實驗的二氧化碳突破。

　　倍半水合物的相變

　　在圖4中，根據在反應器內“底部”和“頂部”位置測量的溫度計算的相對濕度相對于出口中二氧化碳濃度的導數作圖。示出了導數而不是濃度本身給出了變化的中的活性炭對二氧化碳的吸附性能。觀察到衍生物從實驗開始下降并在達到40分鐘之前再次上升，表明活性炭對二氧化碳吸附的再活化。拐點處的相對濕度分別在“底部”和“頂部”位置為8.8%和10.8%。

　　圖4：反應器內的相對濕度和出口中二氧化碳的衍生物。

　　活性炭在溫和的溫度下通過水分回流再生

　　在實驗中通過在溫和溫度下的水分振蕩進行解吸實驗，以使活性炭中碳酸鉀再生回碳酸鉀倍半水合物在升高的溫度和氮氣流下的再生步驟將具有大的能量損失，使這個過程在經濟上不可行。圖5顯示了二氧化碳濃度峰值剛好低于5000ppm。質量平衡表明，在實驗中釋放了吸附的總二氧化碳的50%。盡管最大二氧化碳濃度對于實際應用來說不夠高，但該實驗證明了在活性炭內碳酸鉀倍半水合物和碳酸鉀之間循環的概念。需要進一步優化解吸過程。

　　圖5：解吸試驗。

　　結果表明，使用由負載在蜂窩活性炭上的碳酸鉀組成的吸附劑可以從環境空氣中除去二氧化碳。取決于相對濕度，負載的碳酸鉀從環境中獲取水分，產生碳酸鉀倍半水合物或載體孔內的水溶液。從在二氧化碳吸附之前進行的水合處理，形成能夠捕獲二氧化碳的水溶液。該溶液將向碳酸鉀倍半水合物或碳酸鉀蒸發。如果進入的空氣的水蒸汽壓力低于其相應的平衡水蒸汽壓力。該蒸發引起吸附劑中的局部冷卻，這有利于活性炭對二氧化碳吸附。通過多因素設計實驗研究了吸附溫度，空氣含水量和空氣流量對二氧化碳捕獲能力的影響，表明水蒸汽壓力影響最大。可以得出結論，活性炭載水合碳酸鉀是用于從環境空氣捕獲二氧化碳以生產富含二氧化碳的空氣或用于合成太陽能燃料(例如甲醇)的有前景且廉價的替代物。

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