PAU与NaX沸石在空气吹扫辅助低温热驱动CO2捕获TSA中的性能对比及高富集高回收率工艺优化研究

为解决工业烟气中低浓度CO2捕获效率低的问题，研究人员对比了新型PAU沸石与商用13X沸石在温度摆动吸附（TSA）中的性能。通过优化吹扫气流速和循环工艺，PAU在80℃再生温度下实现56% CO2纯度（70%回收率），经两级吸附工艺后纯度提升至93%。该研究为低品位热源驱动的碳捕集技术提供了高效吸附剂选择和工艺优化方案。

　　

在全球能源结构仍以化石燃料为主导的背景下，工业烟气中CO₂的捕获技术成为实现碳中和目标的关键。传统溶剂吸收法存在高能耗和腐蚀性问题，而温度摆动吸附（TSA）技术因其低再生能耗优势备受关注。然而，现有吸附剂材料在低浓度CO₂（4-30%）捕获中存在热响应慢、纯度与回收率难以兼顾等瓶颈，亟需开发新型吸附材料和优化工艺。

日本三菱化学公司（Mitsubishi Chemical Corporation）的研究团队创新性地合成了一种PAU型沸石，并与商用13X沸石进行系统对比。研究人员将两种沸石分别填充至翅片盘管式热交换器中，在20-80℃温度区间内，对含10% CO₂的模拟烟气进行捕获实验。相关成果发表在《Separation and Purification Technology》上，为低品位热源驱动的碳捕集技术提供了重要参考。

研究采用三项关键技术：1）通过BELPREP VAC II仪器测定CO₂/N₂吸附等温线；2）利用翅片盘管热交换器构建固定床吸附系统，实现内部加热/冷却；3）开发两级吸附和循环工艺，通过调节吹扫空气流速（0.00144-0.25 L STP/min）优化操作参数。

在材料表征部分，PAU展现出独特的结构特性：其SiO₂/Al₂O₃比为3.99，孔径3.6?，CO₂吸附热达43.4 kJ/mol，高于13X的35.4 kJ/mol。单组分吸附测试显示，PAU在20℃、10 kPa下的CO₂负载量为1.716 mmol/g，与新型锌基MOF材料相当。

简单吸附-脱附循环实验表明，PAU在24分钟半循环时间、0.04 L STP/min吹扫流速下，实现56.3% CO₂纯度和70%回收率，优于13X的52.5%纯度和61%回收率。脱附动力学分析揭示，PAU在前5分钟脱附阶段出现显著浓度峰值，这种快速脱附特性使其更适合多级工艺。

循环工艺优化取得突破性进展：通过将脱附阶段分为前段（0.026 L STP/min）和后段（0.25 L STP/min），在12分钟操作时间内使CO₂纯度提升至80%，同时保持70%回收率。时间分辨气体成分分析显示，前3分钟无吹扫空气的脱附策略可减少产品气稀释，后段增加吹扫流速则确保充分再生。

两级吸附工艺将性能推向新高：第一级吸附10% CO₂烟气，第二级处理45%以上富集气体，最终获得93%纯度和75%回收率。热交换器温度监测证实，PAU床层可在4分钟内完成20-80℃温度切换，较传统管束式吸附床快4倍。

该研究证实PAU沸石在低品位热驱动TSA系统中具有独特优势：其结构转变特性促进CO₂脱附，较低N₂吸附量（0.244 mmol/g）减少产品气污染。工艺创新方面，分级吹扫策略和两级吸附设计突破了纯度与回收率的传统权衡。这些发现为工业烟气碳捕集提供了新材料选择和技术路线，特别适合整合余热利用系统。未来研究需关注PAU在含SO_x/NO_x真实烟气中的长期稳定性，以及放大生产的经济性评估。