煤气化细渣与含氮废弃物共水热制备多孔材料及其CO2吸附性能研究

《Journal of Fuel Chemistry and Technology》：Coal gasification fine slag and nitrogen-containing waste Co-hydrothermal preparation of porous materials for CO 2 adsorption

本研究针对CO2捕集需求，以煤气化细渣(CGFS)和蓝藻(BA)为原料，通过水热与化学活化法成功制备了新型吸附剂。研究利用BA中含氮组分增强CO2化学吸附能力，发现BA添加可调控氮物种转化并提升材料比表面积与微孔率。结果表明：CGFS-50%-CA样品在低温下物理吸附量达15.59 cm3/g，CGFS-10%-CA样品在高温下化学吸附量达7.31 cm3/g，且后者循环10次后再生效率超99%。该研究为固废资源化与碳捕集提供了新材料策略。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，二氧化碳（CO₂）的捕集与封存技术已成为科学研究的热点。工业过程中排放的大量CO₂是导致温室效应的主要因素之一。开发高效、低成本且环境友好的CO₂吸附材料，是实现碳减排目标的关键环节。传统的吸附剂往往存在成本高昂、制备过程复杂或吸附容量有限等问题。与此同时，工业生产中产生的大量固体废弃物，如煤气化细渣（Coal Gasification Fine Slag, CGFS），其处理与处置也是一个棘手的环保难题。能否“变废为宝”，将这些废弃物转化为高附加值的功能材料，成为研究者们关注的焦点。另一方面，水体富营养化导致的蓝藻（Blue Algae, BA）爆发，也产生了大量的含氮生物质废弃物。这些废弃物中含有丰富的氮元素，而氮掺杂被证明是提升碳材料CO₂化学吸附能力的有效手段。因此，将含碳固废与含氮生物质协同利用，制备兼具物理吸附和化学吸附功能的复合材料，不仅符合绿色化学和循环经济的理念，也为解决双重环境问题提供了新思路。在此背景下，王庆云、刘晓青、马丽、吕鹏、白永辉研究团队在《Journal of Fuel Chemistry and Technology》上发表了一项创新性研究，他们巧妙地利用煤气化细渣（CGFS）和蓝藻（BA）作为原料，通过水热处理和化学活化技术，成功制备出了一种高性能的氮掺杂多孔吸附材料，并系统评估了其CO₂吸附性能。

本研究采用了几项关键技术方法。首先，以煤气化细渣（CGFS）和蓝藻（BA）为原料进行共水热处理，此过程是实现原料初步碳化和氮元素引入的关键步骤。其次，对水热产物进行了化学活化（CA），以大幅提升材料的比表面积和孔洞结构。材料表征技术包括使用物理吸附仪分析材料的比表面积和孔径分布，以及采用X射线光电子能谱（XPS）技术精确分析材料表面氮物种（如吡咯氮、吡啶氮、石墨氮）的组成和转化。最后，通过CO₂吸附性能测试和循环再生实验，系统评估了材料在不同温度下的吸附容量、吸附机理以及稳定性。

材料表征与氮物种演变

研究人员通过系统表征发现，蓝藻（BA）的加入对最终吸附剂的结构和表面化学性质起到了至关重要的作用。比表面积和孔径分析表明，随着BA添加比例的增加，所得吸附剂的比表面积和微孔率显著提高。这为CO₂的物理吸附提供了更多的场所。更为重要的是，XPS分析揭示了氮物种在水热和活化过程中的动态演变规律。在水热阶段，BA的加入显著增加了材料中吡咯氮的含量。在后续的化学活化过程中，吡咯氮会逐渐向热力学更稳定的吡啶氮和石墨氮转变。这种氮物种的可控演变，是实现高效化学吸附的基础，因为不同种类的氮碱对CO₂分子具有不同的亲和力。

CO₂吸附性能评估

CO₂吸附性能测试结果清晰地展示了材料在不同温度下的吸附行为。在较低温度下，吸附过程以物理吸附为主导。其中，CGFS-50%-CA样品（BA添加比例为50%）表现出最强的低温CO₂吸附能力，吸附量高达15.59 cm³/g。这主要归因于该样品适宜的孔道结构，有利于CO₂分子在相对温和条件下的物理富集。而在较高温度下，化学吸附开始发挥主要作用。CGFS-10%-CA样品（BA添加比例为10%）表现出优异的高温CO_{2吸附能力，吸附量达到7.31 cm³/g。研究人员分析认为，适量的BA添加使得材料表面形成了最优的氮碱位点组合（可能是以吡啶氮为主），这些位点能够在高温下与CO2发生有效的化学相互作用。}

吸附剂循环稳定性

一项优秀的吸附材料不仅需要高吸附容量，还必须具备良好的再生性能和循环稳定性。研究人员对表现优异的CGFS-10%-CA样品进行了10次吸附-脱附循环实验。结果令人鼓舞，该样品在10次循环后，其CO₂吸附容量保持得非常好，再生效率始终保持在99%以上。这一结果充分证明了该吸附剂具有出色的结构稳定性和可重复使用性，为其实际工业应用提供了重要的支撑。

综上所述，本研究成功开发了一种以工业固废煤气化细渣（CGFS）和生物质废料蓝藻（BA）为原料制备氮掺杂多孔吸附剂的新方法。该研究不仅实现了废弃物的资源化高值利用，更重要的是制备出了一种性能优异的CO₂吸附材料。研究深入揭示了BA添加量对材料孔结构发展和表面氮物种演变的调控规律，并明确了物理吸附与化学吸附在不同温度条件下对总吸附容量的贡献机制。最终筛选出的CGFS-10%-CA样品兼具高化学吸附容量和卓越的循环稳定性（10次循环后再生效率>99%）。这项工作的重要意义在于，它为实现“以废治废”的碳捕集技术提供了一条经济、环保且可行的技术路径，所制备的吸附剂在燃煤电厂、化工厂等CO₂集中排放源的捕集领域展现出巨大的应用潜力。