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 na2zro3synthesis method on the co2sorption kinetics at high temperature. carbon capture science & technology, 3, (2022), 100050.
作者
盛沈俊
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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 na2zro3synthesis method on the co2sorption kinetics at high temperature. carbon capture science & technology, 3, (2022), 100050.
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