分步浸渍法制备UTSA-16(Co)/PAA-NH?复合材料及其固定床CO?吸附动力学研究

《Nanomaterials》：Comprehensive Adsorption–Desorption Kinetics of Shaped UTSA-16(Co)/Polyacrylate Composites for Fixed-Bed CO2 Capture

　　

摘要

原始金属有机框架材料（MOFs）通常存在机械强度低和加工性能差的问题，阻碍了其在固定床吸附系统中的直接应用。本研究提出了一种分步浸渍策略，通过在氨基功能化聚丙烯酸酯（PAA-NH₂）基体中预先锚定的钴离子位点，实现UTSA-16(Co)的均匀原位结晶，旨在克服传统一步浸渍法中负载量低和分布不均匀的问题。系统比较了三种合成方案（一步浸渍法、分步浸渍法和二次生长法），其中分步法实现了最高的MOF负载量为53 wt%。最佳复合材料在25°C、1 bar条件下对纯CO₂的热重（TGA）吸附量为95.0 mg/g，并经过10次连续吸附-解吸循环后仍保留了98.6%的初始容量，表明具有良好的短期循环稳定性。系统的固定床测试表明，经验Avrami分数阶模型（R² ≥ 0.994）准确描述了复合材料的异相吸附动力学，其动态穿透行为受气体流速、床层温度、入口CO₂浓度和相对湿度的共同调控。发现该复合材料对水分敏感：在60%相对湿度下，吸附容量下降了52.6%。在最优条件（90°C、0.6 L/min吹扫气体）下，20分钟内可实现99%以上的解吸效率。总体而言，本研究为实验室规模固定床应用中MOF-聚合物复合材料吸附剂的性能优化提供了系统的动力学数据和操作指导。