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摘 要

本文采用浸渍法将聚乙烯亚胺(PEI)负载到MIL-101(Cr)上。采用X线衍射仪(XRD)、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、热分析仪(TG)和N₂吸附-脱附对改性MIL-101(Cr)吸附剂进行表征。测试改性MIL-101(Cr)吸附剂在101.3 kPa、25 ℃下CO₂和CH₄的吸附量，分析PEI负载量和CO₂吸附量与改性MIL-101(Cr)吸附剂的孔径、孔容、比表面积的关系。结果表明，与未改性的MIL-101(Cr)相比，PEI负载量为3.0mmol/g的改性MIL-101(Cr)吸附剂对CO₂的吸附量由74.6 cm³/g提升到114.3 cm³/g，对CH₄的吸附量由11.8 cm³/g降低到8.0 cm³/g，改性MIL-101(Cr)吸附剂大大提高了CO₂/CH₄的分离性能。改性的MIL-101(Cr)吸附剂在80 ℃、4 mmHg下处理即可完全脱附再生，再生条件温和。改性的MIL-101(Cr)吸附剂具有较好的稳定性，并且具有良好的应用前景。

关键词：MIL-101(Cr) 改性 吸附分离 甲烷 二氧化碳

Amine-Functionalized MIL-101(Cr) and its Adsorption Properties for CH₄/CO₂ Separation

ABSTRACT

Polyethyleneimine (PEI) was loaded into MIL-101(Cr) by impregnation method. Crystal structure and properties of modified MIL-101(Cr) adsorbents were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Thermal Gravimetric analysis (TG), and N₂ adsorption-desorption technologies. The adsorption capacities of CO₂ and CH₄ on modified MIL-101(Cr) adsorbents were measured under 298 K and 101.3 kPa, and the relationship between PEI loading, adsorption capacity of CO₂ and pore size, pore volume, surface area of modified MIL-101(Cr) adsorbents was analyzed. Results showed that, compared with unmodified MIL-101(Cr), modified MIL-101(Cr) with 3mmol/g PEI improved the adsorption capability of CO₂, from 74.6 cm³/g to 114.3 cm³/g, while adsorption capability of CH₄ was decreased, from 11.8 cm³/g to 8.0 cm³/g. Separation performance for CH₄/CO₂ was greatly increased. The modified MIL-101(Cr) adsorbents could be completely regenerated under 4 mmHg at 80 ℃, and the desorption condition was mild. Moreover, the modified MIL-101(Cr) adsorbents have good stability, and it has good application prospects.

KEYWORDS: MIL-101(Cr); Modification; Adsorption separation; Methane; Carbon dioxide

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 吸附分离过程 2

1.2.1 吸附概念 2

1.2.2 吸附分离机理 3

1.2.3 吸附理论与吸附平衡模型 3

1.3 CH₄/CO₂吸附分离研究进展 6

1.3.1 CO₂捕获方法 7

1.3.2 常见的CO₂吸附剂及研究进展 9

1.3.3 胺改性吸附剂的研究进展 11

1.4 金属有机骨架材料(MOFs) 12

1.4.1 金属有机骨架MIL-101 13

1.5 胺改性功能化材料捕集CO₂机理 15

1.6 论文的研究目的及内容 16

第二章 实验部分 18

2.1 实验药品、气体和仪器 18

2.1.1 实验药品 18

2.1.2 实验气体 18

2.1.3 实验仪器 19

2.2 MIL-101(Cr)合成、纯化和改性 19

2.2.1 MIL-101(Cr)的合成 19

2.2.2 MIL-101(Cr)的纯化 20

2.2.3 MIL-101(Cr)的改性 20

2.3 吸附剂表征 20

2.3.1 X射线粉末衍射(XRD) 20

2.3.2 傅立叶变换红外光谱(FT-IR) 21

2.3.3 微结构测定 21

2.3.4 热重分析(TGA) 21

2.4 CH₄/CO₂吸附与脱附测定 22

第三章 聚乙烯亚胺改性MIL-101(Cr) 吸附分离CH₄/CO₂ 23

3.1 聚乙烯亚胺(PEI)改性MIL-101(Cr) 23

3.2 X射线粉末衍射表征 24

3.3 傅立叶变换红外光谱 24

3.4 热重分析 25

3.5 比表面积及孔隙分析 26

3.6 改性MIL-101(Cr)吸附剂的CH₄/CO₂吸附分离性能 28

3.6.1 PEI的最佳负载量 28

3.6.2 CH₄/CO₂吸附等温线 29

3.7 吸附剂的稳定性 31

3.8 吸附剂的再生 31

3.9 本章小结 33

第四章 结论 35

参考文献 36

致谢 41

第一章 绪论

1.1 引言

吸附(adsorption)现象与生活密切相关。人类对吸附现象的认识以和利用已经有很长的时间，在工业应用前期，人类使用吸附剂的范围仅仅局限于空气和工业废气的净化与分离，在化工单元操作的范畴，吸附分离技术一直扮演着一个次要的角色^[1]。在现代，由于吸附剂和吸附过程的发展，生活中和工业上都直接或者间接利用了吸附现象，吸附分离技术已被广泛采用，此项技术已经渗透到人们生活的各个角落，为社会迅速发展贡献了巨大的力量^[2]。

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