用于沼气提纯净化的高结构纳米沸石材料

DOI: 10.1002/ente.201900781

采用静电纺丝技术和后碳化处理设计制备了分层沸石复合纳米纤维，从而形成机械强度高的颗粒，用于沼气提纯净化。将ZSM-5纳米粉末（沸石）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）聚合物电纺形成ZSM/PVP复合纳米纤维，通过两步热处理将其转变为ZSM和碳复合纳米纤维（ZSM/C）。与非结构化ZSM-5纳米粉相比，ZSM/C纳米纤维的比表面积（BET）增加了30.4％。使用理想的吸附溶液理论，在1 bar、293 K下，ZSM/C纳米纤维对CO₂的选择性比CH₄高出20，CO₂吸收量为2.15 mmolg^-1。为了在变压吸附操作中有效使用吸附剂，将纳米纤维构造成ZSM/C颗粒，可提供最大6.46 MPa的抗张强度以承受变压。在突破测试中，与其他结构化沸石吸附剂相比，经过5个突破的吸附-解吸循环后，在293 K、4 bar下，颗粒的CO₂吸收量达到3.18 mmolg^-1，传质系数高出1.24 ms^-1，CO₂吸收率达到2.4 mg CO₂ g^-1s^-1。

图1.a）沸石吸附剂/聚合物复合纳米纤维用于沼气提质的示意图；b）基于线材的静电纺丝工艺制造纳米纤维的示意图；c）ZSM-5/PVP复合纳米纤维的SEM显微结构。

图2. a，b）通过无针静电纺丝制备的初纺ZSM/PVP复合纳米纤维的纳米纤维复合吸附剂；c，d）碳化的ZSM/C纳米纤维吸附剂的SEM图像。

图3.a）初纺的ZSM/PVP纳米纤维的原位TEM图像。该图像是在室温下，于10 mbar O₂中记录的。纳米纤维的结构变化显示在b，c）中，在350℃的10 mbar O₂中煅烧2 h，然后在700℃的5 mbar N₂中进行d）处理。每张图中所示的时间t显示了该纳米纤维在当前条件下的暴露时间。

图4.a）293 K下的CO₂和b）CH₄吸附等温线：原样的ZSM-5粉末吸附剂（黑色正方形），初纺的ZSM/PVP复合纳米纤维（红色圆圈），预氧化的ZSM/PVP-Ox纳米纤维（绿色三角形）和ZSM/C纳米纤维（蓝色倒三角形）。

图5.对源自纳米纤维的ZSM/C粒料的压缩测试，其中a）显示粒料几何形状和尺寸的照片，b）直径压缩测试装置的示意图，c）具有不同密度的粒料的拉伸强度图。

图6.具有a）46％孔隙率（循环1：黑色▪，循环2：红色▴，循环3：绿色•，循环4：蓝色，循环5：橄榄★）和b）63％孔隙率（循环1：黑色▪，循环2：红色▴，循环3：绿色•，循环4：蓝色，循环5：橄榄★）的纳米纤维衍生的ZSM/C颗粒的突破性实验。