使用MUF-16从潮湿的后燃烧烟气中捕获二氧化碳的模拟移动床工艺

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Simulated Moving Bed Process for CO2 Capture from Humid Postcombustion Flue Gases Using MUF-16

金属有机框架MUF-16用于湿燃后烟气中CO2捕获的模拟移动床（SMB）工艺研究。通过单组分等温线、突破曲线及SO2稳定性测试，证实MUF-16具有优异的CO2/N2选择性（>100）、较低吸附焓（CO2:36 kJ/mol，H2O:54 kJ/mol）和抗SO2污染能力，其SMB工艺利用氮气 raffinate 作为脱附剂，实现水/CO2分步吸附-脱附，消除独立干燥床需求，并支持局部加热以降低能耗。

　　随着全球对减少温室气体排放的需求日益增长，从燃烧后烟气中捕集二氧化碳（CO?）已成为实现碳中和目标的重要技术路径。尤其是在现有化石燃料发电厂的改造中，开发高效、经济且可持续的CO?捕集技术显得尤为关键。传统的CO?捕集方法主要依赖于化学吸收技术，如使用胺类溶剂，但这些方法通常面临溶剂氧化降解、高再生能耗以及设备腐蚀等挑战。因此，近年来，固体吸附剂，尤其是金属有机框架（MOFs）材料，因其高比表面积、可调的孔隙结构和良好的吸附性能，逐渐成为CO?捕集研究的热点。

在本研究中，科学家们提出了一种改进的模拟移动床（SMB）技术，用于在湿烟气条件下高效捕集CO?。该技术的核心在于利用MUF-16（Massey University Framework）这一MOFs材料的特性。MUF-16在CO?和N?混合气体中表现出优异的CO?选择性，同时对水（H?O）的吸附热适中，且在湿度相关的条件下，CO?与水之间不存在竞争吸附现象。这些特性为设计一种低能耗、高效率的SMB流程提供了坚实的基础。

传统的SMB技术主要用于液体混合物的分离，例如在工业化学分离和精馏过程中广泛应用。然而，随着对气体分离需求的增加，SMB技术也被逐渐应用于气相分离领域。尤其是在处理含有多种成分的复杂气体混合物时，SMB的多级连续操作模式能够有效提高分离效率。在本研究中，科学家们进一步拓展了SMB技术的应用范围，将其应用于湿烟气中CO?的捕集。他们设计了一种改进的SMB流程，该流程利用烟气中氮气（N?）作为水的脱附剂，从而避免了需要额外脱水床的步骤，降低了整体能耗。

MUF-16的吸附特性是本研究的关键。实验表明，MUF-16在CO?和N?的混合气体中能够优先吸附CO?，而在存在水的情况下，其吸附行为则表现出显著的差异。具体而言，MUF-16在湿度较高的条件下，对CO?的吸附能力并未明显降低，且不会与水发生竞争吸附。这一特性在湿烟气捕集过程中具有重要价值，因为传统吸附剂在高湿度环境下容易因水的竞争吸附而降低对CO?的捕集效率。相比之下，MUF-16在高湿度条件下仍能保持对CO?的高效吸附，这为设计适用于实际烟气条件的吸附流程提供了可能性。

此外，MUF-16的吸附热相对较低，这使得其在吸附和脱附过程中所需的能量较少。CO?的吸附热约为36 kJ/mol，而水的吸附热约为54 kJ/mol。这种较低的吸附热意味着在脱附过程中，可以通过局部加热的方式实现高效的CO?和水的释放，而不需要对整个系统进行高温处理。这一特性对于降低整个捕集过程的能耗具有重要意义，尤其是在处理高湿度烟气时，局部加热可以显著减少能源消耗，提高系统的经济性。

为了验证MUF-16在SMB流程中的适用性，研究团队进行了多种实验测试，包括单组分吸附等温线测量、单柱穿透实验以及SO?稳定性测试。这些实验不仅评估了MUF-16在不同条件下的吸附性能，还探讨了其在实际烟气环境中的耐久性。例如，在单组分吸附等温线实验中，MUF-16对CO?的吸附量在30 °C和100 kPa条件下达到了约2 mmol/g，而对N?的吸附几乎可以忽略不计。这一结果表明，MUF-16在CO?捕集过程中具有较高的选择性。

在单柱穿透实验中，研究团队进一步考察了MUF-16在混合气体条件下的表现。他们发现，在含有水的烟气中，CO?和水的穿透曲线呈现出明显的分离趋势，表明MUF-16能够有效区分这两种气体。实验还表明，在高湿度条件下，CO?的穿透时间显著早于水，这意味着在SMB流程中，可以通过调整操作参数，使CO?在进入吸附区之前尽可能多地被捕集，从而提高其回收率。同时，由于水和CO?之间不存在竞争吸附，穿透曲线呈现出较尖锐的形态，有助于实现高纯度CO?的回收。

为了进一步验证MUF-16在SMB流程中的可行性，研究团队还进行了脱附动力学实验。他们发现，MUF-16在脱附过程中表现出良好的可逆性，即使在不进行额外加热的情况下，CO?和水的脱附也可以在较短时间内完成。例如，在30 °C和100 sccm氮气流速下，水的脱附时间约为1小时，而CO?的脱附时间则在5分钟以内。这一结果表明，MUF-16在脱附过程中具有较高的效率，能够满足SMB流程对连续操作的要求。

除了吸附和脱附性能，研究团队还关注了MUF-16在实际烟气条件下的稳定性。他们特别测试了该材料在SO?暴露下的表现，因为SO?是烟气中常见的酸性气体，可能对吸附材料造成损害。实验结果表明，MUF-16在干SO?和湿SO?暴露条件下均表现出良好的稳定性。在干SO?暴露实验中，MUF-16的CO?吸附能力未发生明显变化，而在湿SO?暴露条件下，其吸附性能也保持稳定。这一发现表明，MUF-16不仅适用于CO?的捕集，还能够耐受烟气中的其他酸性气体，为实际应用提供了保障。

为了进一步优化SMB流程，研究团队还探讨了脱附条件对整体能耗的影响。他们发现，通过调整脱附气体的流速和温度，可以显著影响脱附效率和能耗。例如，在30 °C和100 sccm氮气流速下，水的脱附时间最短，且无需额外加热即可完成脱附。而在较高温度（如60 °C）下，脱附时间进一步缩短，但需要更多的能量输入。因此，研究团队建议在实际应用中，根据具体的工艺需求和经济性分析，选择最合适的脱附条件。

综上所述，本研究提出了一种基于MUF-16的改进型SMB流程，用于在湿烟气条件下高效捕集CO?。该流程利用MUF-16对CO?的高选择性、低吸附热以及与水无竞争吸附的特性，设计了一种能够减少能耗、提高回收率的连续操作模式。实验结果表明，MUF-16在吸附和脱附过程中表现出良好的性能，并且在酸性气体暴露下保持稳定。这一研究成果为开发高效、经济的CO?捕集技术提供了新的思路和方向，具有重要的实际应用价值。