应用故事 | 高温下Na2ZrO3 对CO2 吸收性能的实验研究

CO2作为一种主要的温室气体，其与全球变暖、气候变化息息相关，它的排放正日益受到人们的关注。其中石化燃料的燃烧是CO2的一大来源，因此，有必要采取适当措施减少二氧化碳排放。

石化燃料的CO2的排放方式主要是通过烟道气，烟道气的温度较高，一般均在350度以上，由于气体温度较高，而大多数的常规吸附都是物理吸附，一般的物理吸附量随温度的升高而降低，故不适合高温使用，因此需要对烟道气中的CO2进行降温等处理。这就导致了脱附周期变长，降低了热气和吸附剂的最大接触面积。故有必要进行高温CO2化学吸附剂的研究。该吸附剂可以在高温区直接吸收CO2，省去了冷却过程，实现了混合气体的高效分离。

高温CO2化学吸附剂主要有：氨水吸收剂、钙基吸收剂和锂基吸收剂。其中锂基吸收剂在反应过程中可将CO2由气态转变成固态，方便储存和运输，当使用时，加热至一定温度即可释放出CO2，锂基吸收剂正成为高温CO2吸附研究的热点。

在这些碱金属陶瓷吸附剂中，同为碱金属族的Na2ZrO3具有更低的制备成本、更快的吸附能力和更高的吸附温度，因此引起了许多学者的关注和重视。大连理工大学姬国钊老师团队在Na2ZrO3对CO2的吸附-脱附研究中颇有进展[1]。

Na2ZrO3可以与CO2发生如下反应：

Na2ZrO3 + CO2 ⇆  Na2CO3 + ZrO2   （1）

由反应式可知，Na2ZrO3对CO2的理论最大吸收量可达23.8%。Na2ZrO3对CO2的吸附温度在400°C∼800°C。当温度低于800度时，反应向正方向自发进行，Na2ZrO3可与CO2发生反应，最终CO2以Na2ZrO3形态存在；当温度高于800度时，反应向逆方向自发进行，Na2ZrO3分解放出CO2，重新形成Na2ZrO3，从而能循环进行CO2的吸附/脱附。

本文利用耐驰同步热分析仪STA 2500研究了Na2ZrO3对CO2的吸附-脱附特性，并比较了不同制备方法得到的Na2ZrO3的吸附/脱附性能差异。（参考文献）

仪器：Netzsch STA 2500

样品：

在STA2500中进行CO2循环吸附-脱附性能测试，取约10mg吸附剂置于氧化铝坩埚中，在纯N2氛围下（气体流量100ml/min）以20℃/min的加热速率从室温加热到850℃，维持10min去除催化剂中的杂质，接着以同样的加热速率从850℃降到650℃。温度达到650℃时，切换至15%CO2（气体流量15ml/min），以N2平衡（气体流量85ml/min），进行吸附反应，30min；最后，以相同的加热速率在纯氮气氛围（100%N2, 气体流量100ml/min）从650℃加热到850℃，脱附CO2，10min。循环操作10次，测试吸附剂的稳定性能。

图1是四种不同合成条件下的Na2ZrO3的CO2循环吸附曲线。由图可知，湿混合法制得的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，且稳定性良好。当反应至第八个循环，四种吸附剂的吸附性能趋于稳定。由第八个吸附循环可知，WM-HD的吸附量最大，为18.85%，四种吸附剂的吸附量从大到小依次为：WM-HD＞WM-FD＞SG-FD＞SG-HD

由图1的热失重（TG）曲线可以得到热重微分（DTG）曲线（即dm/dt曲线，将TG曲线上的各点对时间进行一次微分的曲线)，表示重量变化速度随温度/时间的变化，这里可理解为四种不同合成条件下的Na2ZrO3的第八个循环的CO2吸附速率曲线。如图2即为四种吸附剂在第八个循环的CO2吸附速率（DTG）曲线。从图中可知，尤其是在初始吸附阶段（481.0min-481.7min），四种吸附剂的吸附速率从大到小分别为SG-FD＞SG-HD＞WM-FD＞WM-HD。

可见对于吸附剂的气体吸附与脱附测试，耐驰同步热分析仪STA 2500是可以胜任的。

图1 四种不同合成条件下的Na2ZrO3的CO2循环吸附（TG）曲线

图2 四种吸附剂在第八个循环的CO2吸附速率（DTG）曲线

[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

耐驰仪器公司应用实验室