不同活化方法制备的活性炭分级孔隙结构对沼气提纯吸附选择性的影响机制研究

本研究针对沼气提纯中CO2/CH4选择性吸附的瓶颈问题，通过化学活化（H3PO4/ZnCl2/KOH）和物理活化（CO2）制备龙葵基活性炭（ACs），揭示介微孔比例（SNH0.5>SNCO2>SNZ0.6>SNK1.0）主导吸附选择性（CO2/CH4选择性达7.13），为生物质废弃物资源化及低碳能源技术提供新策略。

　　

论文解读

在全球能源转型背景下，沼气作为碳负性可再生能源备受关注。然而，原始沼气中高达60%的CO₂含量严重降低其热值，传统胺吸附法存在再生能耗高、膜分离易老化等技术瓶颈。吸附法虽具能耗优势，但关键挑战在于开发兼具高选择性和低成本的多孔吸附剂。龙葵（Solanum nigrum）作为农业废弃物，其丰富的木质纤维素组分成为制备活性炭（ACs）的理想原料。来自多恩大学的研究团队通过对比化学活化（H₃PO₄/ZnCl₂/KOH）与物理活化（CO₂）对龙葵基ACs孔隙结构的调控效应，首次系统阐明了分级孔隙比例与气体吸附选择性的构效关系，相关成果发表于《Fuel》。

研究采用BET比表面积分析、FTIR光谱、SEM-EDX元素映射和XRD衍射等技术表征材料结构，结合高压（1000 kPa）纯气体吸附实验和理想吸附溶液理论（IAST）计算二元混合物选择性。印度本地采集的龙葵生物质经四种活化工艺处理后，化学活化样品展现出更高的比表面积（SNK1.0达2806 m²·g^?1），但物理活化样品SNCO2表现出更均衡的介微孔比例（meso:micro）。

表征分析
N₂吸附-脱附等温线显示：KOH活化样品SNK1.0呈现I(b)型曲线，证实其微孔主导特性；H₃PO₄活化样品SNH0.5和ZnCl₂活化样品SNZ0.6显示II(b)型曲线，表明介孔-微孔共存；而CO₂活化样品SNCO2呈现IV型曲线，具有明显的介孔滞后环。这种孔隙差异直接关联吸附性能——SNH0.5凭借最优的介微孔比例（1.43）在CO₂/CH₄分离中取得最高选择性（7.13），较商业ACs提升300%。

吸附性能
高压吸附实验表明，所有样品对CO₂的吸附量均高于CH₄和N₂，归因于CO₂更高的四极矩与孔隙表面的强相互作用。IAST计算揭示选择性排序：CO₂/CH₄（SNH0.5>SNCO2>SNZ0.6>SNK1.0）>CO₂/N₂（SNCO2>SNH0.5>SNZ0.6>SNK1.0）>CH₄/N₂（SNK1.0>SNZ0.6>SNH0.5>SNCO2）。分子模拟进一步证实，介孔的存在降低了CO₂扩散能垒，而微孔增强了其吸附焓，二者协同提升分离效率。

结论与意义
该研究首次建立活化方法-孔隙分级-选择性的定量关联：化学活化（尤其H₃PO₄）可精准调控介微孔比例，物理活化则更利于介孔发育。Arpita Kumari等提出的"介孔辅助微孔捕获"机制为设计新一代沼气提纯吸附剂提供理论框架，同时实现农业废弃物增值利用。未来研究可拓展至其他生物质体系及工业废气处理场景，推动吸附分离技术向低碳化、精细化方向发展。