聚丙烯酰胺凝胶在沼气纯化中对CO2 和H2 S的协同去除效能研究

为解决沼气中CO2 和H2 S去除的高能耗与成本问题，印度Vellore理工学院的研究团队开发了一种基于聚丙烯酰胺凝胶（PHPA）的低成本吸附技术。通过优化凝胶配方（含Piperazine和Cr(III)乙酸酯），实现了90.1%的甲烷富集率和完全H2 S去除，其ΔG值低至–5526.68 J/mol，为生物质能源绿色转化提供了新方案。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，沼气作为生物质能源的代表，其应用却受限于高浓度CO₂
(15–60%)和腐蚀性H₂
S(0.5–1%)的存在。传统纯化技术如膜分离虽高效但成本高昂，化学吸附法又面临溶剂再生难题。在此背景下，印度Vellore理工学院的研究团队将石油工业中成熟的聚丙烯酰胺凝胶(PHPA)技术创造性应用于沼气纯化领域，相关成果发表于《Fuel》。

研究采用剪切稀化特性的PHPA凝胶，通过添加Piperazine表面活性剂和Cr(III)乙酸酯交联剂，构建了多孔吸附体系。实验使用50 mL/min流速的原始沼气（含60%甲烷）作为样本，通过粘度测定、FTIR和吸附动力学分析等手段，系统评估了凝胶的纯化效能。

材料与合成
团队制备了5种不同配比的PHPA凝胶，其中Gel-5（1% PHPA+2% NaCl+1% Piperazine+500 ppm Cr(III)乙酸酯）表现出最优性能。凝胶的非牛顿流体特性通过流变仪验证，其剪切稀化行为显著提升了污染物扩散效率。

粘度测量
流变学数据显示，含Piperazine的凝胶在低剪切速率下呈现更高粘度，这有利于延长气体-凝胶接触时间。当剪切速率超过100 s^–1
时，所有配方均表现出明显的粘度下降，证实了其工程应用可行性。

吸附性能
在25°C条件下，Gel-5对CO₂
的吸附量达7.988 mmol/g，H₂
S完全去除。热力学分析显示该过程自发进行（ΔG=–5526.68 J/mol），且符合Langmuir吸附模型。但研究也发现，经过5次循环后CO₂
吸附容量下降12%，需通过0.1M NaOH溶液再生。

结论与意义
该研究首次将PHPA凝胶应用于沼气升级，其90.1%的甲烷产出浓度已接近商业CNG标准（96–97%）。相较于传统方法，该技术能耗降低40%，且凝胶原料成本不足膜分离系统的1/5。尽管存在循环稳定性挑战，但通过Bibhuti Bhusan Sahoo团队开发的再生方案，凝胶可重复使用至少10次。这项技术为发展中国家实现沼气车用燃料转化提供了切实可行的路径，有望推动联合国可持续发展目标（SDG7）的落实。