Газообразный диоксид кремния Применение в твердых адсорбентах с аминофункциональной группой 

Регенерируемые твердые адсорбенты обладают значительными преимуществами в герметичных системах, таких как подводные лодки, самолеты и космические челноки. Аминофункционализированные твердые адсорбенты представляют собой материалы, в которых в качестве носителя используется пористый материал, а аминофункциональная группа вводится с помощью соответствующих реагентов. Благодаря простоте метода получения, высокой адсорбционной способности по CO₂ и низкому энергопотреблению в процессе регенерации, эти адсорбенты являются новым типом адсорбентов с большими перспективами применения. В настоящее время в качестве носителя для аминофункционализированных твердых адсорбентов чаще всего используется нанопористый диоксид кремния, в том числе SBA-15, MCM-41, KIT-6 и др.; по данным литературы, максимальная адсорбционная способность таких материалов может достигать 132 мг/г. Однако процесс получения мезопористых материалов на основе диоксида кремния, таких как KIT-6, является трудоемким и дорогостоящим, что не позволяет использовать их в промышленных масштабах. Газофазный диоксид кремния представляет собой белый, рыхлый, аморфный порошок, обладающий множеством преимуществ, таких как легкий вес, пористость, большая удельная поверхность (обычно в пределах 100–400 м²/г), хорошая химическая стабильность и низкая стоимость, что делает его идеальным носителем для адсорбентов.

Для получения адсорбента смешали метанол и полиэтиленимин (PEI), а затем добавили газофазный диоксид кремния. В качестве носителей адсорбента для сравнительных экспериментов были выбраны три вида газофазного SiO₂ с различной удельной поверхностью. В смешанной атмосфере 40 % CO₂/N₂ при температуре 100 °C провели измерение объема адсорбции CO₂ адсорбентом и сравнили влияние различных носителей на адсорбционные свойства CO₂. Газофазный диоксид кремния с удельной поверхностью 355, 311 и 142 м²/г были соответственно обозначены как образец 1, образец 2 и образец 3.
На рисунке 2 представлены изотермы физической адсорбции/десорбции азота для трех различных образцов; все три кривые имеют форму изотерм IV-го типа с петлей гистерезиса типа H3. В таблице 1 приведены данные по удельной поверхности, структуре пор и объёму адсорбции CO₂ для трёх образцов. Как видно, адсорбционная способность адсорбента по отношению к CO₂ положительно коррелирует с размером пор и объемом межпоровых пространств используемого носителя. Адсорбент, синтезированный из образца 3, имеющего наибольший размер пор и объем межпоровых пространств, демонстрирует наилучшие характеристики: адсорбционная способность по отношению к CO₂ достигает 130,0 мг/г; адсорбент, синтезированный из образца 1, имеющего наименьший размер пор и объем межпоровых пространств, демонстрирует наихудшие характеристики: адсорбционная способность по отношению к CO₂ достигает 111,0 мг/г.

Таблица 1. Характеристики (удельная поверхность, параметры поровой структуры и др.) трёх образцов газофазного SiO₂
Таким образом, можно сделать вывод, что адсорбционные свойства адсорбента из газофазного SiO₂, модифицированного PEI, в отношении CO₂ положительно коррелируют с размером пор и объёмом межпорового пространства используемого носителя, но не имеют прямой связи с удельной поверхностью. Большой размер пор и объем межпористого пространства обеспечивают PEI большее пространство для прикрепления, что делает его распределение более равномерным; при этом, вмещая большее количество PEI, он не забивает поры, благодаря чему адсорбент обнажает большее количество активных центров, что приводит к более высокой адсорбционной способности.
Адсорбенты данного типа обладают превосходными циклическими характеристиками, а при температурах ниже 150 °C их структура остается стабильной и не подвергается разложению, что позволяет использовать их для удаления CO₂ при относительно высоких температурах окружающей среды. Данный тип адсорбентов отличается низкой стоимостью и доступностью, простотой метода получения, превосходными адсорбционными свойствами в отношении CO₂, а также хорошей термической стабильностью и регенерируемостью, что делает его идеальным многократно регенерируемым твердым адсорбентом.