用于选择性捕获和分离六氟化硫（SF6）的固体多孔材料

《ChemPlusChem》：Solid Porous Materials for Selective Capture and Separation of Sulfur Hexafluoride (SF6)

本研究对比了椰壳衍生活性炭（物理和化学活化）与商用活性炭块及金属有机框架对SF6/N2混合气体的吸附性能。通过Toth模型拟合吸附平衡数据，分析温度和压力对吸附容量的影响，发现ACM因高比表面积和微/介孔分布优势，在吸附容量（0.60 mmol/g）和选择性（最高达18.2）方面表现最佳。热力学参数显示SF6与材料表面存在强相互作用，而N2吸附较弱。再生实验表明ACM在1 MPa和303.15 K条件下工作容量达6.46 mmol/g，再生温度升至373.15 K时仍保持较高稳定性。研究为工业级SF6捕获提供了高效低成本吸附剂方案。

　　本研究探讨了如何利用多孔固体材料对一种极具温室效应的气体——六氟化硫（SF?）进行捕集、净化和再利用。SF?的全球变暖潜力约为二氧化碳（CO?）的22,800倍，且其在大气中的存留时间较长，因此成为国际气候协议中受到严格管控的温室气体之一。由于SF?在工业中的广泛应用，如电力设备、半导体制造和镁冶炼等领域，其排放问题日益严重。因此，开发高效、可持续的吸附材料以实现SF?的分离和回收，具有重要的环境和经济意义。

在本研究中，两种来源于椰壳的活性炭（AC）材料（CS-CO?和CS-ZnCl?）分别通过物理活化（CO?）和化学活化（ZnCl?）制备，并与两种商用吸附材料（ACM和Fe-BTC）进行对比分析。研究通过重力法测量了这些材料在不同温度（283.15 K、303.15 K和323.15 K）下的SF?和氮气（N?）吸附容量，并采用Toth模型对实验数据进行拟合。研究还评估了温度和压力对吸附性能的影响，并通过理想吸附溶液理论（IAST）分析了SF?/N?混合物的选择性。结果显示，ACM在SF?吸附容量上表现最佳，随后是CS-ZnCl?、Fe-BTC和CS-CO?，这一顺序与材料的比表面积密切相关。

为了更好地理解SF?与吸附材料之间的相互作用，研究进一步探讨了吸附等温线的特性。SF?分子具有较大的直径（约5.15 ?）和较高的极化率（4.49 ?3），这使其在与材料表面发生相互作用时表现出更强的吸附能力。相比之下，N?分子尺寸较小（约3.64 ?）且极化率较低（1.710 ?3），因此其吸附行为更多地受到微孔结构和中孔体积的影响。实验数据表明，材料的吸附容量在不同压力条件下变化显著，但在温度和压力范围内，其排序基本保持一致，这说明材料的比表面积和孔隙结构是影响吸附性能的主要因素。

在实际应用中，吸附材料的再生能力是决定其可持续性的重要指标。研究评估了材料在不同再生温度下的工作容量，结果显示ACM在低温条件下表现出优异的SF?吸附性能，且其再生效率也较高。这一特性使得ACM在工业气体处理过程中具有显著优势。此外，研究还通过比较材料的吸附热和亨利常数，进一步揭示了材料对SF?和N?的吸附强度及其与气体分子之间的相互作用机制。例如，SF?的吸附热范围在25–35 kJ/mol之间，而N?的吸附热则显著较低，这一差异反映了不同气体分子与材料之间的吸附能力差异。

为了更全面地评估材料的适用性，研究引入了Yang和Ackley的吸附性能指标（FOM），这些指标综合考虑了吸附容量、选择性和再生能力。结果显示，在多种条件下，ACM均表现出较高的性能排名，尤其在吸附能力和再生效率方面。尽管一些MOFs材料在吸附性能上表现优异，但它们在工业应用中面临规模化和成本方面的挑战。相比之下，ACM在性能和可加工性之间达到了较好的平衡，这使其成为一种具有广阔应用前景的吸附材料。

此外，研究还分析了不同气体混合物在吸附过程中对材料性能的影响。在SF?/N?混合气体中，由于SF?的高极化率和分子尺寸较大，其在材料中的吸附选择性显著高于N?。通过IAST理论预测的吸附选择性数据进一步支持了这一结论，表明ACM在SF?/N?分离中具有最佳的性能。这些结果不仅有助于理解SF?与吸附材料之间的相互作用机制，也为未来工业气体处理技术的发展提供了理论依据和实验支持。

综上所述，本研究通过系统评估多种多孔材料在SF?/N?混合气体中的吸附性能，揭示了材料的比表面积、孔隙结构和吸附能力之间的关系。研究结果表明，ACM在SF?吸附容量和选择性方面表现突出，同时具备良好的再生能力，这使其成为一种高效的吸附材料。这些发现为工业界在SF?捕集和回收技术的选择与优化提供了重要的参考，并推动了可持续吸附材料的开发进程。未来，随着对SF?排放控制的进一步加强，此类材料在环境保护和资源回收中的应用前景将更加广阔。