气候变化和全球变暖的主题已经过深入讨论和调查。虽然它们都是天然现象，但气候变化是气候的平均长期变化。全球变暖是气候变化的原因之一，是由于温室气体的影响导致的低层大气温度升高。由于被称为米兰科维奇周期的太阳周围地球路径的变化，全球变暖在整个时期自然发生，但目前的全球变暖事件通常被认为是人为的[ 1]]由于地球表面以上温室气体浓度的空前增加，特别是由于工业革命的人为排放，大量的温室气体（GHGs）进入大气层。温室气体如水蒸气，二氧化碳，甲烷，一氧化二氮和其他微量大气气体吸收一些由地球表面反射的红外辐射（热量）。保留的热量会积聚并升高低层大气温度[ 2 ]。最重要的温室气体人为是CO 2，这是几乎认为负责使温室影响[ 3]。部分地认为降水和温度变化的有害影响是由于温室气体主要是由于化石燃料消耗，如日常生活活动中的煤，石油和天然气，这提供了超过85％的全球能源需求[ 4 ]，但与此同时，在过去150年中，广泛依赖化石燃料使平均气温升高了0.8°C [ 5 ]。为了减少CO 2在大气中的浓度，各种技术方案，如吸附[ 6 ]，吸收[ 7 ]，膜分离[ 8 ]和低温[ 9]已经提出并研究了CO的捕获和封存2。由于能量需求低，对环境影响小，易于使用，吸附被认为是商业和工业应用中最有能力的技术之一[ 10 ]。像AC这样的固体吸附剂是燃烧后CO 2吸附的最佳选择之一[ 11 ]。多孔AC由多种富含碳的原料和生物质资源生产，被认为是可再生的[ 12 ]。AC纹理具有适应性，因为表面官能团的性状和密度以及孔径分布可以根据应用进行调整[ 13]。微孔AC是优异的吸附剂，因为它具有高内部表面积，大部分吸附发生，窄孔，吸附能力显着提高，以及化学活性位点的存在，这对吸附特定基团至关重要[ 14] ]。众所周知，当其表面存在氮官能团时，AC吸附酸性气体的能力将增加[ 15 ]。通过浆料法浸渍改性AC表面化学气体和液体吸附被广泛使用，尽管表面积减少和孔隙堵塞是常见的障碍[ 16 ]。CO 2由于在其表面引入碱性氮基团，发现改性AC的捕获能力得到改善[ 17 ]。醋酸钙溶液在AC颗粒浸渍到AC样品上时会阻塞AC颗粒的微孔，从而减少其表面积，同时通过AC表面上形成的碱性部位增强CO 2吸附[ 18 ]。在浸渍的棕榈壳AC颗粒上吸附CO 2在文献中受到限制[ 19 ]，并且该主题甚至更加局限于动态CO 2吸附到棕榈壳AC颗粒上。工业烷醇胺溶液用于吸收CO 2是; 单乙醇酰胺（MEA），三乙醇胺（DEA），N-甲基二乙醇胺（MDEA），哌嗪（PZ）和2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）。MEA被认为是其他提到的链烷醇胺[ 20 ]中最有效的，因为它具有高反应速率。伯胺MEA被认为是节俭的[ 21 ]并且具有比其他二级，三级和空间位阻胺更高的吸收率，顺序为：MEA> AMP> DEA»MDEA [ 20 ]，但使用MEA和AMP有一些缺点。吸收剂由于其腐蚀行为，适度的可吸收性和毒性[ 21 ]。在此期间，CO 2可用于碳捕获和封存（CCS）的捕获技术是燃烧前，燃烧后和富氧燃烧或氧燃烧[ 22 ]。对于第一和第二系统顾名思义，在燃料分别燃烧之前或之后除去CO 2，而第三系统使用纯氧代替空气进行燃烧。燃烧后CO 2捕集由于其准备提供超过其他两个系统显著的优势，在许多化石燃料电厂在世界各地分散使用，而不需要修改燃烧过程和其他技术参与进来，这是通常昂贵而广泛[ 23 ]。

在这项工作中，使用颗粒状AC颗粒填充的固定床，这是一种具有成本效益的吸附剂，其原料大量可在东南亚，特别是马来西亚[ 24 ]，分别用初级（MEA）和空间位阻（AMP）胺浸渍，在动态实时实验中从气体混合物中吸附CO 2。水用作生态友好的介质以促进胺的浸渍。动态突破时间是本研究中的主要规律，作为检测和评价床吸附质量的工具。

物料

在该研究中使用分析级单乙醇酰胺和2-氨基-2-甲基-1-丙醇，如表1所示。

表1： MEA和AMP的化学式和分子量。

棕榈壳AC：商业粒状棕榈壳AC（粒度710-500μm），其通过用蒸汽作为活化剂的物理活化产生，购自Bravo Green SDN BHD（Sarawak，Malaysia）。发现总BET表面积为838cm 2 / g。能量色散X射线（EDX）元素微量分析表明，AC颗粒的表面由88.89％碳，7.75％氧，2.81％二氧化硅，0.14％铝和0.41％氮组成。

本研究中使用的气体为： 15％CO 2和85％N 2的混合物，纯N 2

方法

AC样品表征：将 AC颗粒压碎并过筛。使用尺寸为850μm，710μm和500μm的筛来表征AC颗粒。获得两个样品，即：710μm（颗粒通过850并且在710μm处停止）和500μm（颗粒通过710并且停止在500μm）。

MEA和AMP的选择： MEA和AMP其他胺中被选中是因为，MEA被认为是最成熟的胺吸收剂CO之一2吸收[ 25 ]，和AMP由于用于再生比其它胺[其较少的能量需求26 ] 。

AC样品的浸渍：通过将2g每种MEA和AMP与5g AC搅拌1小时进行浸渍，加入10g去离子水作为环境友好介质以促进浸渍过程。将最终的浆液在70℃，真空压力（~0.1巴）下干燥6小时。两种样品的加载效率均为91％。

CO 2： CO 2分子的吸附吸附在固态MEA和AMP的组合上，所述固态MEA和AMP分别在大部分微孔棕榈壳AC颗粒上浸渍。固态胺的使用对于最大限度地减少液体胺对环境的有害影响，抑制其腐蚀性影响及其降解以及再生过程中所需的高能量至关重要[ 27 ]。

吸附床性能评价方法：采用穿透时间评价实时实验中的吸附床性能。突破时间是表示吸附床容量和质量的时间单位表示。它可以定义为吸附物分子完全或部分饱和的经过时间，如本研究中当CO 2分子穿过吸附床时，由Guardian Plus CO 2监测器监测。数据采集​​记录仪连接到CO 2监视器，以分钟为单位测量突破时间。

实验设置：实验设置如图1所示。可以找到实验装置的设备及其规格的细节[ 28 ]。

突破时间结果

图2中的结果显示了室温下三个吸附床的穿透时间的差异。CO的吸附2时CO的显示分子被认为结束2显示器，其被连接到所述吸附塔的出口处，是表示CO 2分子开始退出床。使用5g各吸附剂，在室温和10ml / min进料气体流速下获得这些结果。

图2中的穿透时间值从非浸渍AC床的34分钟增加到62分钟，并且分别用于MEA浸渍的AC床的AMP浸渍90分钟。与未浸渍的AC床相比，MEA和AMP浸渍床的突破时间的增加是由于胺分子已经形成许多CO 2吸附的活性位点，其中化学吸附优于物理吸附，导致选择性吸附更多的CO 2分子。原料气流。与MEA浸渍的AC床相比，空间位阻影响是AMP浸渍的AC床的突破时间减少的原因。

空间阻碍效应

突破时间结果显示MEA浸渍AC床与AMP浸渍AC床相比具有延长的穿透时间，因为对大胺分子具有空间位阻效应[ 29 ]，如AMP，这将阻碍CO 2 -N 2反应导致更多CO 2分子离开吸附床，因此缩短了穿透时间，如表2所示。

表2：吸附床及其突破时间。

动态吸附床容量提高

床的动态吸附容量，mg / g。（吸附的CO 2 / g吸附床），使用等式1计算，从吸附实验开始时确定的时间，当CO 2分子首先流过吸附床直到它们突破出床结束吸附时实验。

容量 = Q ρ CT / W（1）

哪里：

Q =体积进料气体流速（ml / min）

ρ= 25°C时的CO 2密度（mg / ml）

C = 进料气体中的CO 2（％）

t =突破时间（分钟）

W =胺浸渍床的重量（g）

表3中的结果显示与未浸渍床相比，MEA浸渍和AMP浸渍床的改进。

表3：与未浸渍床相比，MEA浸渍床和AMP浸渍床的吸附床容量改进。

不受阻碍的MEA和受阻AMP的化学计量

实验化学计量结果显示0.6摩尔CO 2与1克AMP反应，而0.9摩尔CO 2与1克MEA反应，MEA 吸附CO 2能力增加50％。这些结果与液体胺理论化学计量不一致，其表明在室温和常压下，与无阻胺（MEA）反应的最大量的CO 2对于每1摩尔胺为0.5摩尔，最大为1摩尔CO 2。与每个1个摩尔位阻胺（AMP）的[反应30 ]，这是由许多研究者证实31 - 33 ]。这种不一致是由于没有水而发生的。CO的结果2- AMP（受阻胺）反应是不稳定的氨基甲酸根离子，它会被水解成更稳定的碳酸氢根离子和游离胺[ 34 ]。游离胺的形成将通过促进更多的CO 2吸收来增强AMP吸收能力，但是在没有水的情况下不会形成游离胺，因此与不受阻碍的MEA相比降低了AMP的吸附能力，当与CO 2反应时将形成稳定的氨基甲酸酯[ 30 ]。

浸渍和未浸渍的500μmAC床的吸附等温线

使用标准Brunauer-Emmett-Teller（BET）方程，通过吸附等温线法计算浸渍和未浸渍的500μmAC床的比表面积。使用Lippens和de Boer的t-绘图方法获得微孔面积和体积。使用Barrett-Joyner-Halenda（BJH）孔分析方法测量孔尺寸和体积。

绘制了500μm的三种吸附等温线，未浸渍的，MEA浸渍的和AMP浸渍的AC样品。使用Micromeritics Accelerated Surface Area and Porosimetry Analyzer（ASAP 2020）计算吸附等温线和BET表面积，在-196℃的液体N 2温度下进行N 2吸附实验。在N 2之前，在真空环境中将样品在130℃下脱气1小时吸附测量。对于两种床，浸渍有MEA和AMP的AC床的BET表面积为（65m 2 / g），而未浸渍的AC床为（838m 2 / g）。浸渍的AC床的表面积的显着减少是由于MEA和AMP分子阻塞了主要微孔的AC颗粒。通过浸渍胺分子阻塞AC颗粒中的大量微孔留下了大量未封闭的中孔，并且MEA，AMP浸渍的AC床中中孔/总表面积的比率几乎是未浸渍的两倍。由于浸渍，AC床与非浸渍床相比。三种吸附剂的BET表面积示于表4中。

表4：不同床的总微孔和中孔表面积。

吸附等温线的标准分类如图3所示。I类用于主要为微孔吸附剂的吸附剂，II类主要用于中孔吸附剂，其中滞后环作为与中孔内吸附分子缩合引起的中孔性相关的共同特征[ 35 ]。

未浸渍的500μmAC样品的吸附等温线显示在图4中，其对应于I型等温线。在微孔中，孔壁两侧的电位重叠。这种重叠会增强吸附剂的吸附能力，当N 2分子与AC颗粒接触时，吸附几乎立即开始[ 36 ]。在图5中，用MEA浸渍的500μmAC样品的吸附等温线对应于II型等温线。图6显示吸附在用AMP浸渍的500μmAC颗粒上的N 2分子的量，其遵循与图5中相同的趋势。。由于用胺浸渍，与未浸渍的床相比，对于MEA浸渍的和AC浸渍的AC床，AC颗粒的总微孔体积减少了94％，如表5所示。

表5：不同吸附样品的微孔体积。

Dubinin-Astakhov（DA）方程的线性回归

对来自ASAP 2020获得的吸附等温线数据的未浸渍，MEA浸渍和AMP浸渍的500μmAC样品的（DA）方程进行线性回归。

公式2是DA方程[ 37 ]：

 （2）

哪里：

W =吸附的气体量（cm 3 / g）。

W o =微孔体积（cm 3 / g）。

A =吸附电位（J / mol）。

E =吸附的特征能量（J / mol）。

n =结构异质性参数。

吸附势可定义如式3所示：

 （3）

哪里：

Po =吸附物的饱和蒸气压。

P =气相中的压力。

用等式2中的等式3代替：

 （4）

等式4的线性化形式如式5所示：

 （5）

方程式5是方程式DA的另一种形式，它描述了在均相和非均相微孔吸附剂上的吸附。吸附剂的不均匀度可以通过指数（n）的值来估算。微孔AC中指数n的值在1.5到3之间，因为吸附剂变得不均匀[ 38 ]。等式5被绘制在图7，8和9为未浸渍，MEA浸渍的，以及分别AMP浸渍AC样本。使用确定系数（R2）来选择指数n的最佳值，如表6所示。AC的结构非常复杂，其表面高度异质[ 39]。对于非浸渍AC样品，指数n（1.5）的值证实了这一点，这表明样品比MEA浸渍样品和AMP浸渍样品更具异质性，其指数n值等于2，其中案例等式3将被称为Dubinin-Radushkevich等式（DR）。结果示于图7 - 9和表6。为解释这些结果，见表4 早先的研究表明，非浸渍AC床的微孔体积大于MEA和AMP浸渍的AC床的微孔体积，这可以解释为非浸渍样品中的微孔更加多样化，其形状和形状有更多变化。尺寸大于MEA和AMP浸渍床，其中许多微孔被MEA和AMP分子阻挡，减少了它们的孔隙多样性。

表6：不同样品的指数n和测定系数（R 2）的结果。

AC床的热特性

吸附主要是放热过程[ 40 ]，因为在吸附质和吸附剂之间会形成新的键。将连接到数字显示器的热探针插入AC床内以记录吸附温度。在5g各种未浸渍的MEA和AMP浸渍的AC床上进行实验; 进料气体流速在室温下为10毫升/分钟。在吸附实验期间，由于在CO 2分子和未浸渍的AC颗粒之间形成的弱物理吸附范德华力吸引力，未浸渍的AC床显示温度略微升高。

MEA和AMP浸渍的AC床的温度进一步升高，因为在CO 2分子之间建立了弱酸性硬石膏[ 41 ]和MEA和AMP分子作为弱碱的化学键。结果如表7所示。

表7：吸附期间床温升高。

再生对500μmAMP浸渍交流床性能的影响

通过在室温下用60ml / min纯N 2向上扫过耗尽的床4小时来进行两个再生循环。表8中的再生在室温下进行，如果要使用热量，可以改善结果。加热将提供切断N 2 -CO 2化学键所需的足够能量。结果在表8中，表明用AMP浸渍的AC床再生，合理地减少了穿透时间，特别是对于500μm床。

表8：在再生之前和之后减少500μmAMP浸渍的AC的穿透时间。

高温再生对MEA浸渍AC床性能的影响

通过用60N / min流动的纯N 2气体吹扫耗尽的床4小时来处理用尽的MEA浸渍的AC床的再生。在N 2扫过床的同时，通过使热水循环通过排气床周围的夹套，使用水浴将排出的床原位加热至75℃ 。结果示于表9和10中示出具有加热排出的床再生是比室温下再生更有效。这是由于MEA-CO 2键比APM-CO 2键更为确定[ 30 ]。

表9：在再生之前和之后室温下MEA浸渍的AC床的穿透时间减少。

表10： MEA浸渍的AC床的穿透时间减少，在再生之前和之后加热至75℃。

床操作温度对床突破时间的影响

图10显示了增加床操作温度对三种不同吸附床的穿透时间的影响。由于吸附的放热性质，提高操作温度会缩短穿透时间。这种效应将受到非浸渍AC床的限制，因为这些床物理地通过范德华力捕获CO 2分子。对于MEA和AMP浸渍床，CO 2分子将通过化学键连接到浸渍床上。提高床操作温度最终将切断这些键并释放CO 2分子，从而减少其突破时间。

原料气流量对床层突破时间的影响

图11中的结果显示了室温下进料气体流速对MEA，AMP浸渍和未浸渍AC床的穿透时间的影响。在高流速下，减少的停留时间不足以在CO 2和MEA 之间发生化学反应，AMP浸渍的床减少了它们的穿透时间。增加非浸渍AC床的原料气流速对其突破时间的影响最小，因为没有化学反应和AC颗粒物理捕获CO 2分子。比较图10和图11中的结果，可以得出结论，增加进料气体流速对突破时间的反作用比增加操作温度更多。

通过用MEA和AMP浸渍可以显着提高AC 对CO 2的吸附。胺浸渍显着降低了总微孔体积，但同时产生了吸附CO 2分子的巨大活性位点。与未浸渍床相比，浸渍床的动态穿透时间显着改善。与浸渍有AMP的相同尺寸的AC颗粒相比，用MEA浸渍的AC颗粒500μm的吸附床容量提高44％。化学计量结果表明，在没有水的情况下，固体胺以相反的方式与液体胺与CO 2反应的众所周知的行为反应。

浸渍的AC样品变得比未浸渍的AC样品更不均匀，因为这些样品中的微孔已被胺基化学物质分子阻塞，导致其孔隙多样性减少。需要加热至75℃以再生耗尽的MEA浸渍床，同时用N 2气体以60ml / min的速率流动4小时。在室温下足以再生耗尽的AMP浸渍床。

由于MEA和AMP与CO 2反应的放热性质，增加周围温度会对浸渍床的CO 2吸附产生不利影响，对非浸渍床产生较少的CO 2吸附。与增加床温相比，增加CO 2气体流速已经减少了突破时间，特别是对于浸渍床。与耗尽的AMP浸渍床不同，需要热量来再生耗尽的MEA浸渍床。