用于沼氣提純凈化的高結構納米沸石材料

DOI: 10.1002/ente.201900781

采用靜電紡絲技術和后碳化處理設計制備了分層沸石復合納米纖維，從而形成機械強度高的顆粒，用于沼氣提純凈化。將ZSM-5納米粉末（沸石）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）聚合物電紡形成ZSM/PVP復合納米纖維，通過兩步熱處理將其轉變為ZSM和碳復合納米纖維（ZSM/C）。與非結構化ZSM-5納米粉相比，ZSM/C納米纖維的比表面積（BET）增加了30.4％。使用理想的吸附溶液理論，在1 bar、293 K下，ZSM/C納米纖維對CO₂的選擇性比CH₄高出20，CO₂吸收量為2.15 mmolg^-1。為了在變壓吸附操作中有效使用吸附劑，將納米纖維構造成ZSM/C顆粒，可提供最大6.46 MPa的抗張強度以承受變壓。在突破測試中，與其他結構化沸石吸附劑相比，經過5個突破的吸附-解吸循環后，在293 K、4 bar下，顆粒的CO₂吸收量達到3.18 mmolg^-1，傳質系數高出1.24 ms^-1，CO₂吸收率達到2.4 mg CO₂ g^-1s^-1。

圖1.a）沸石吸附劑/聚合物復合納米纖維用于沼氣提質的示意圖；b）基于線材的靜電紡絲工藝制造納米纖維的示意圖；c）ZSM-5/PVP復合納米纖維的SEM顯微結構。

圖2. a，b）通過無針靜電紡絲制備的初紡ZSM/PVP復合納米纖維的納米纖維復合吸附劑；c，d）碳化的ZSM/C納米纖維吸附劑的SEM圖像。

圖3.a）初紡的ZSM/PVP納米纖維的原位TEM圖像。該圖像是在室溫下，于10 mbar O₂中記錄的。納米纖維的結構變化顯示在b，c）中，在350℃的10 mbar O₂中煅燒2 h，然后在700℃的5 mbar N₂中進行d）處理。每張圖中所示的時間t顯示了該納米纖維在當前條件下的暴露時間。

圖4.a）293 K下的CO₂和b）CH₄吸附等溫線：原樣的ZSM-5粉末吸附劑（黑色正方形），初紡的ZSM/PVP復合納米纖維（紅色圓圈），預氧化的ZSM/PVP-Ox納米纖維（綠色三角形）和ZSM/C納米纖維（藍色倒三角形）。

圖5.對源自納米纖維的ZSM/C粒料的壓縮測試，其中a）顯示粒料幾何形狀和尺寸的照片，b）直徑壓縮測試裝置的示意圖，c）具有不同密度的粒料的拉伸強度圖。

圖6.具有a）46％孔隙率（循環1：黑色?，循環2：紅色?，循環3：綠色?，循環4：藍色，循環5：橄欖★）和b）63％孔隙率（循環1：黑色?，循環2：紅色?，循環3：綠色?，循環4：藍色，循環5：橄欖★）的納米纖維衍生的ZSM/C顆粒的突破性實驗。