【MOF气体分离】：高选择性混合基质吸附剂嵌入阴离子支撑的微孔材料和聚离子液体用于二氧化硫捕获

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摘要:
浙江大学崔希利团队发表的这篇文章(Ind. Eng. Chem. Res. 2023, 62, 30, 11957–11964)中提出了一种通过制备混合基质吸附剂来提高多孔吸附剂分离性能的策略。通过引入选择性渗透聚合物(P(D[VImC6]Br))作为基质包裹阴离子支撑的微孔材料(SIFSIX-3-Ni),CO2分子被选择性阻挡,而SO2分子仍然可以渗透聚合物基质并进入SIFSIX-3-Ni的多孔颗粒。结果表明,在298K和1bar条件下,混合基质吸附剂SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1实现了32的高SO20.2%/CO210%吸附比,以及在0.002bar下0.67 mmol g-1的高SO2吸附量。制备多孔吸附剂颗粒周围选择性渗透基质以提高吸附性能的策略普遍适用于其他多孔吸附剂。

研究背景:
(1) 传统的湿法烟气脱硫技术,如石灰石洗涤和湿法硫酸工艺,能够去除SO2,但能耗高且会造成污染;使用多孔吸附剂的可逆物理吸附提供了一种选择性气体去除的有前景方法,并提供了一个节能、经济的过程。
(2) 本文作者设计制备了一系列高SO2吸附量和选择性的混合基质吸附剂,引入选择性渗透聚合物作为基质包裹阴离子支撑的微孔材料;
揭示了阴离子支撑微孔材料嵌入聚合物基质的混合基质吸附剂的构建是选择性捕获微量气体的有效策略。

实验部分:
(1) 合成了两种具有高SO2吸附量的阴离子支撑微孔材料:SIFSIX-3-Ni和GeFSIX-3-Ni。
(2) 合成了一种双子离子液体单体1,6-二(N,N’-乙烯基咪唑)己烷二溴化物(D[VImC6]Br),并通过其在水溶液中的光聚合制备了高度交联的聚合物网络PIL聚合物P(D[VImC6]Br)。
(3) 通过原位聚合法制备了一系列不同SIFSIX-3-Ni负载量的混合基质吸附剂(SIFSIX-3-Ni@PIL-0.5/1, SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1, SIFSIX-3-Ni@PIL-1.5/1)。
(4) 实验结果表明,高负载量导致聚合物基质中暴露的颗粒,而SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1具有多孔颗粒和聚合物基质之间无缺陷的界面结构。这些实验结果相对现有结果的突破在于实现了高SO2/CO2吸附比。揭示了PIL基质对SO2的选择性溶胀是实现提高SO2捕获性能的关键因素。

分析测试:
(1) 通过XRD实验确认了所合成SIFSIX-3-Ni和GeFSIX-3-Ni晶体的结构。
(2) SEM结果显示SIFSIX-3-Ni和GeFSIX-3-Ni呈现微米级的柱状结构。
(3) TGA结果证实,混合基质吸附剂SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1的分解温度高于原始SIFSIX-3-Ni,表明制备的混合基质吸附剂适用于某些高温工业环境。
(4) TEM结果表明,SIFSIX-3-Ni颗粒成功地被包封在PIL中,两种材料之间没有观察到界面间隙。
(5) CO2和SO2吸附等温线结果显示,在298K和0.002bar下,SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1和GeFSIX-3-Ni@PIL-1/1的SO2吸附量分别达到0.67和0.76 mmol g-1,而在1bar下CO2吸附量极低(分别为0.14和0.18 mmol g-1)。SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1实现了32的显著高SO20.2%/CO210%吸附比。

总结:
(1) 通过引入选择性渗透聚合物作为基质包裹阴离子支撑的微孔材料,设计制备了一系列高SO2吸附量和选择性的混合基质吸附剂。PIL基质对SO2的选择性溶胀是实现提高SO2捕获性能的关键因素。
(2) P(D[VImC6]Br)基质选择性阻挡CO2分子,同时仍允许SO2分子进入多孔颗粒。
(3) 混合基质吸附剂SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1和GeFSIX-3-Ni@PIL-1/1表现出相对较高的SO2吸附量,同时保持低CO2吸附量,实现了高SO20.2%/CO210%吸附比。
(4) 突破实验证实SIFSIX-3-Ni@PIL-1/1具有大的SO2突破保留体积(>1 L g-1),证实了该策略的适用性。

展望:
(1) 本文提出的策略实现了制备在相对大量CO2存在下吸附微量SO2的混合基质吸附剂,有望应用于制备多种气体分离体系的高性能吸附剂。
(2) 探索其他类型的阴离子支撑微孔材料与PIL的组合,优化混合基质吸附剂的制备工艺和性能;
(3) 研究混合基质吸附剂在实际烟气环境中的稳定性和再生性能;
(4) 放大制备混合基质吸附剂,考察其工业应用的可行性。

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文章作者：Siheng Qian, Jing Hu, Rimin You, Xiaobing Wang, Lifeng Yang, Huabin Xing, and Xili Cui
DOI：10.1021/acs.iecr.3c01551
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.3c01551