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问题 2
为解决生物炭用于 CO?吸附时表面积小、扩散问题导致的吸附动力学慢及容量有限等问题，研究人员开展 LFHA 共振振动技术强化生物炭选择性吸附 CO?的研究，发现该技术使 CO?选择性因子提升 25.49%，为 CO?捕获提供新方向。
问题 5
研究背景与意义
全球气候危机下，CO?过量排放引发系列环境问题，如飞行湍流增加等。碳捕获与封存（CCS）技术是应对关键，但传统方法存在成本高、技术复杂等问题。生物炭作为多孔固体吸附剂，因成本低、环境友好等受关注，但其小表面积和扩散问题制约 CO?吸附效率，化学改性又面临碳中性和环境可持续性争议。在此背景下， Montana Technological University 的研究人员开展低频高振幅（LFHA）共振振动技术强化生物炭在燃烧后场景（模拟燃煤电厂 16% V/V CO?/N?废气）中选择性吸附 CO?的研究，成果发表于《Carbon Trends》，为高效绿色 CO?捕获提供新思路。
关键技术方法
研究主要采用以下技术：
- 生物炭制备：以本地大麻为原料，在固定床管式炉中通过氩气保护下的批量热解反应制备生物炭，经粉碎、脱气等处理。
- 材料表征：利用扫描电子显微镜（SEM）观察形貌，漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）分析表面化学，拉曼光谱研究碳结构。
- 吸附实验：在模拟燃烧后条件下进行突破实验，使用质谱仪（MS）实时监测气体，计算 CO?工作动态容量和选择性因子，通过等温测量获取平衡容量。
- 再生性测试：通过两种方法评估生物炭的可重复使用性，包括等温测量和重量法循环吸附 / 解吸实验。
研究结果
3.1 生物炭表征
- SEM 分析：大麻经热解后，生物炭形成蜂窝状结构，出现空腔、大孔和破碎表面，显示热解过程保留植物细胞壁形状。
- DRIFTS 光谱：生物炭中 sp2 杂化碳的 C-H 伸缩振动模式相对强度增加，表明高度碳化，且存在羰基等官能团，可能影响吸附行为。
- 拉曼光谱：ID/IG 比值为 0.66，表明中等程度碳化，生物炭碳化水平均匀，利于吸附一致性。
3.2 LFHA 共振振动对选择性吸附的影响
- 质谱结果：引入 LFHA 共振振动后，CO?和 N?突破曲线时间差增大，N?信号左移，表明振动增强 CO?选择性，可能通过改变生物炭对 N?的亲和力实现。
- 吸附容量与选择性因子：非振动吸附时 CO?工作动态容量为 23.90 mg/g，振动时降至 20.87 mg/g，但选择性因子从 9.61 提升至 12.07，提高 25.49%，处于商业应用范围。
- 与平衡容量对比：非振动和振动吸附的 CO?工作动态容量分别比等温测量的平衡容量低 9.12% 和 20.64%，验证方法有效性。
3.3 生物炭的再生性
- 等温测量循环：前 3 次循环 CO?平衡容量平均增加 7.70%，后 2 次下降 4.30%，总体增加 3.40%，表面面积等物理性质变化与吸附容量趋势一致。
- 重量法循环：非振动吸附 CO? uptake 总体下降 7.3%，振动吸附仅下降 1.5%，表明 LFHA 共振振动可改善生物炭循环吸附稳定性。
结论与讨论
本研究表明，LFHA 共振振动技术通过优化生物炭物理性质和促进 CO?传输，显著提升其对 CO?的选择性吸附，为解决生物炭吸附效率瓶颈提供绿色高效方案。振动引起的颗粒研磨和孔隙结构变化，既增加表面积又促进 N?绕过，实现选择性提升。生物炭在循环使用中表现出稳定的再生性，两种再生方法验证其实际应用潜力。该技术避免化学改性的环境风险，为燃煤电厂等燃烧后场景的 CO?捕获提供新策略，对推动 CCS 技术可持续发展具有重要意义。研究结果为生物炭基吸附剂的工程应用奠定基础，未来可进一步探索振动参数优化和大规模系统集成。
