CN114839104A - 一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法 - Google Patents

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卞子君
陈宝康
王丽朋
卢承政
张发捷
何川
吴国勋
李乐田
李昂
孔凡海
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Abstract

本发明提出一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法，包括如下步骤：将吸附剂样品置于热重分析仪的炉体内通入脱气气体，进行脱气处理；炉体内调节至吸附温度后，向炉体内通入CO2气流，吸附剂样品对CO2进行吸附；将CO2气流切换成脱附气体，并将温度升至脱附温度，进行脱附处理；重复上述步骤若干次，根据吸附剂样品在每个吸附脱附循环过程中的质量变化幅度来评价吸附剂样品的吸附循环稳定性。本发明开创了基于热重的测试方法，仪器操作简单，重复性高，测试准确度高，可以原位测定吸附脱附，还能实时监测质量，测得的数据可做动态曲线和模拟拟合，而且最多可以循环测试上百次；适应性强，样品取样量小，气体消耗量小，降低测试成本。

Description

一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法
技术领域
本发明涉及化学测试技术领域，尤其涉及一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法。
背景技术
传统的CO2吸附剂包括沸石、活性氧化铝、硅胶和活性炭等，这些材料对混合气体中的CO2具有较高的选择性，可以通过周期性改变压力或温度，来实现CO2的吸附与解吸循环。对于一般的物理吸附分离过程，CO2在高压或低温条件下具有更高的吸附容量，因此在高压或低温条件下对CO2进行吸附，再通过降压或者升温来将CO2解吸，实现CO2与其它组分的分离。
CO2吸附剂的选择是一个非常复杂的问题，吸附分离过程的成功与失败取决于吸附剂在吸附平衡以及吸附动力学上的表现。如果吸附剂仅具有高的吸附容量但吸附速率低，这意味着吸附质分子需要很长时间才能进入到吸附剂的内部，整个吸附过程的效率低。反之，如果吸附剂具有高吸附速率和低吸附容量，则需要大量的吸附剂来完成分离任务。总而言之，两个方面必须同时兼顾。除此之外，将CO2吸附剂应用到工业生产中还要考虑一些其他因素，包括吸附剂的制备成本、机械性能、稳定性、再生能耗等。
高性能CO2吸附剂研发种类繁多，利用固态多孔材料吸附剂对烟气中CO2的选择性可逆吸附性来捕集分离CO2。吸附剂对CO2的吸附量、吸附选择性、吸附循环稳定性能、耐水性能等为吸附剂筛选的关键指标。对CO2吸附剂建立吸附剂性能评估技术方法很有必要。
对于一个有潜在应用价值的CO2高温捕集材料，其长期稳定性以及抗高温烧结能力必须深入考虑。吸附剂的吸附性能不仅需要评价单次吸附性能表现，更需要对循环吸附性能的表现进行测试和评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法，采用热重法测定了吸附剂的多循环CO2捕集性能，开发一种动态吸附实验策略，检测吸附剂材料在多次循环吸附中吸附CO2的表现。
本申请实施例提出一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法，包括如下步骤：
S1，吸附剂样品进行真空脱气处理；
S2，将吸附剂样品置于热重分析仪的炉体内通入脱气气体，进行脱气处理；
S3，炉体内调节至吸附温度后，向炉体内通入CO2气流，吸附剂样品对CO2进行吸附；
S4，将CO2气流切换成脱附气体，并将温度升至脱附温度，进行脱附处理；
S5，重复步骤S3-S4若干次，根据吸附剂样品在每个吸附脱附循环过程中的质量变化幅度来评价所述吸附剂样品的吸附循环稳定性。
在一些实施例中，所述步骤S2中，向炉体内通入脱气气体后升温至脱气温度。
在一些实施例中，所述步骤S2中，脱气处理的时间为3～8小时。
在一些实施例中，所述脱气气体与脱附气体采用相同气体。
在一些实施例中，所述脱附气体为N2或氩气。
在一些实施例中，所述步骤S1中，真空脱气处理在BET仪器内进行。
在一些实施例中，真空脱气处理的时间为12～20小时。
在一些实施例中，向炉体内通入脱气气体、CO2与脱附气体的通入流速为5～50mL/min。
在一些实施例中，所述步骤S5中，重复步骤S2-S3的次数在10～50次。
在一些实施例中，所述步骤S2中，脱气温度为150～500℃。
本发明的有益效果为：
(1)开创了基于热重的测试方法，仪器操作简单，重复性高，测试准确度高，可以原位测定吸附脱附，还能实时监测质量，测得的数据可做动态曲线和模拟拟合，而且最多可以循环测试上百次；测试条件可变，适应性强，样品取样量小，气体消耗量小，降低测试成本。
(2)吸附剂测试前进行真空脱气处理，把吸附剂深层的孔道活化释放，保持测试稳定，提高测试的准确性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，
其中：
图1为本申请实施例1中的TGA动态吸附脱附曲线。
图2为本申请实施例1中的固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法的流程图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法。
本申请实施例提出一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法，一个完整的循环包括一个在纯CO2气氛中进行的吸附过程和一个在N2气氛中进行的脱附过程。吸附剂样品在测试前需先在BET仪器内进行真空脱气处理，处理时间为12～20小时，作用是把吸附剂深层的孔道活化释放，保持测试稳定，避免空气中吸水和吸二氧化碳而影响测试，能够提高测试的准确性。
如图2所示，具体包括如下步骤：
S1，吸附剂样品在测试前需先在BET仪器内进行真空脱气处理；
S2，脱气处理：将吸附剂样品置于热重分析仪的炉体内的样品支架上，通入N2，在N2气氛下升温至150～500℃，脱气处理3～8小时；
S3，炉体内调节至吸附温度后，向炉体内通入CO2气流，吸附剂样品对CO2进行吸附；
S4，将CO2气流切换成N2，并将温度升至脱附温度，进行脱附处理；
S5，步骤S3-S4重复10～50次(含第一次)，根据吸附剂样品在每个吸附脱附循环过程中的质量变化幅度来评价吸附剂样品的吸附循环稳定性，质量变化幅度越小，吸附剂样品的吸附循环稳定性越好。例如，以循环10次为例，质量变化幅度小于1％为吸附循环稳定性佳，2～5％为吸附循环稳定性一般，大于5％为吸附循环稳定性差。又如，以循环50次为例，质量变化幅度小于2％为吸附循环稳定性佳，2～10％为吸附循环稳定性一般，大于10％为吸附循环稳定性差。
其中，不同的吸附剂有不同的脱气温度、吸附温度和脱附温度，脱附温度通常比吸附温度高100℃左右至200℃左右。
不同的吸附剂的吸附时间和脱附时间不同，通常吸附时间在30min～2h，脱附温度升上去之后1小时左右可脱附干净。每种吸附剂材料在进行评价之前都需要先做实验确定其基础参数，基础参数可包括脱气温度、吸附温度、脱附温度等。
在一些具体的实施例中，脱气处理和脱附过程中向炉体内通入的气体相同，可以均为N2或均为氩气。
在一些具体的实施例中，向炉体内通入的所有气体(包括但不限于脱气气体、CO2与脱附气体)的通入流速为5～50mL/min。根据吸附剂的状态决定，若吸附剂为粉末状，则需降低流量，以免将吸附剂吹离样品支架。
实施例1
对金属有机框架石墨烯复合材料吸附剂样品进行吸附循环稳定性测试，先将该吸附剂样品在BET仪器内进行真空脱气处理，处理时间为15小时。然后称量30mg的该吸附剂样品置于热重分析仪的样品支架中，向炉体内通入N2，在N2气氛下升温至150℃进行脱气处理8小时；将温度降至30℃，将N2切换成CO2，在CO2气氛下吸附3h；将CO2切换回N2，并将温度升至120℃，在N2气氛下脱附4h；然后再切换成CO2气氛，重复进行吸附-脱附的过程，总共进行10次循环的稳定性测试。
将吸附剂在每个吸附脱附循环过程中的质量变化的数据生成曲线图，如图1所示，左边纵坐标为炉体内CO2气体的质量损失百分比(％)，即吸附剂样品增重的百分比，右边纵坐标为炉体内的温度(℃)，横坐标为时间(min)。靠上方的曲线为随着时间推移炉体内CO2气体的质量损失百分比的变化曲线，靠下方的曲线为随着时间推移炉体内温度的变化曲线，在某一时刻下的温度对应着该温度下的炉体内CO2气体的质量损失百分比。当温度降低时，发生吸附过程，炉体内的CO2气体质量损失最大，即吸附剂内吸附的CO2气体最多。当温度升高时，发生脱附过程，炉体内的CO2气体质量损失最小，即吸附剂内吸附的CO2气体最少。由图1可看出，靠上方的曲线的10个波峰几乎平齐，也就是说，炉体内的CO2气体质量损失的变化幅度很小。因此可得出结论：该吸附剂的动态CO2吸附循环测试展示了非常优越的吸附循环稳定性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种固体吸附剂的吸附循环稳定性的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，吸附剂样品进行真空脱气处理；
S2，将吸附剂样品置于热重分析仪的炉体内通入脱气气体，进行脱气处理；
S3，炉体内调节至吸附温度后，向炉体内通入CO2气流，吸附剂样品对CO2进行吸附；
S4，将CO2气流切换成脱附气体，并将温度升至脱附温度，进行脱附处理；
S5，重复步骤S3-S4若干次，根据吸附剂样品在每个吸附脱附循环过程中的质量变化幅度来评价所述吸附剂样品的吸附循环稳定性。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，向炉体内通入脱气气体后升温至脱气温度。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，脱气处理的时间为3～8小时。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述脱气气体与脱附气体采用相同气体。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述脱附气体为N2或氩气。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，真空脱气处理在BET仪器内进行。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，真空脱气处理的时间为12～20小时。
8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，向炉体内通入脱气气体、CO2与脱附气体的通入流速为5～50mL/min。
9.根据权利要求1～8任一项所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，重复步骤S2-S3的次数在10～50次。
10.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，脱气温度为150～500℃。
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