《生物質炭吸附CO2的物理-化學過程及微觀機制》是依託上海交通大學，由續曉雲擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：生物質炭吸附CO2的物理-化學過程及微觀機制
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：續曉雲
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
將生物質殘體通過熱解轉化為生物質炭並輸入土壤中被視為一種有效的固碳途徑。近年來，生物質炭作為多孔炭材料對溫室氣體CO2的吸附研究也逐漸開展，但現有的研究僅限於與孔結構相關的CO2物理吸附過程的初步探討。除了多孔結構外，生物質炭還含有豐富的官能團及礦物質，這些組分對CO2吸附可能也會發揮一定的化學作用。因此，本項目擬在生物質炭對CO2物理吸附基礎上進一步研究其對CO2吸附的化學過程及微觀機制。採用物理吸附儀和探針分子法，結合動力學模型研究生物質炭對CO2物理吸附的微孔填充及介孔擴散機制；通過官能團阻隔法，結合紅外光譜、核磁共振以及XPS等儀器手段探討生物質炭含O、N官能團對CO2化學吸附及轉化過程的影響機制；藉助XRD、SEM等儀器手段，結合MINTEQ模型揭示生物質炭的礦物組分對CO2的化學吸附過程及形態轉化機制。最終為生物質炭作為一種新型CO2吸附材料提供理論基礎和科學依據。
結題摘要
生物質炭作為多孔炭材料對溫室氣體CO2的吸附研究逐漸開展，但研究僅限於與孔結構相關的CO2物理吸附過程。本項目在生物質炭對CO2物理吸附基礎上進一步研究了其對CO2吸附的化學過程及微觀機制。具體為：（1）研究了污泥、豬糞和秸稈三種生物質炭對CO2的吸附行為和形態轉化機制。三種生物質炭對CO2的最大吸附量為18.2-34.4 mg g-1。提高吸附溫度和水分含量可以促進CO2從物理吸附到化學吸附的轉變。內源礦物質可以通過礦化反應誘導生物質炭對CO2的化學吸附，該吸附量占據CO2總吸附量的17.7%-50.9%。污泥生物質炭中的FeOOH與吸附態CO2反應形成Fe(OH)2CO3；豬糞生物質炭中形成了K2Ca(CO3)2和CaMg(CO3)2，導致體系中不溶性無機碳含量增加；對於秸稈生物質炭，由於CaCO3與CO2的反應，形成了Ca(HCO3)2，導致體系中可溶性無機碳含量增加。（2）研究了含N官能團對生物質炭吸附CO2的增強效應和潛在機制。通過將原始生物質炭與氨水共球磨的方法將含N基團引入生物質炭。摻雜進入生物質炭的含N基團主要為胺（-NH2）和腈（C≡N），它們是由生物質炭中的含O官能團如-COOH和-OH等與氨水發生脫水反應形成的。這些鹼性含N基團增強了生物質炭對酸性CO2的吸附性能。N摻雜生物質炭對CO2的吸附能力比相應的原始和球磨生物質炭提高31.6%-55.2%。CO2分子與N相關的極性位點之間存在較強相互作用是其主要吸附機制。（3）研究了含Fe礦物對生物質炭吸附CO2的增強效應及潛在機制。通過將原始生物質與FeCl3.6H2O共熱解的方法將含Fe礦物引入生物質炭，含鐵礦物主要為β-FeOOH。Fe基生物質炭對於CO2的吸附量可以提高到大於160 mg g-1（25oC）。採用原位紅外（In situ DRIFTS）、TGA吸附-解吸、XPS等手段證明了低Fe含量生物質炭對CO2的吸附主要為物理吸附；而高Fe含量生物質炭對CO2的吸附主要為化學吸附，尤其是含Fe礦物與CO2的礦化反應，形成了易分解的羥基碳酸鐵，該化合物在50-125oC溫度區間分解。總之，本項目揭示了生物質炭對CO2的物理化學吸附過程和微觀形態轉化機制，為生物質炭作為一種新型CO2吸附材料提供了理論基礎和科學依據。
