Page 123 - 《精细化工》2023年第3期

第 3 期 王焕君，等: 基于不同粒径 ZIF-8 多孔液体的二氧化碳捕集性能 ·579·

时间为 210 min，且随着 ZIF-8 粒径的减小，ZIF-8-PLs 互作用将目标吸附质附着到吸附剂上的一种吸附形
式，这些相互作用通常是可逆的，取决于压力和温
的 CO 2 吸附容量逐渐提高，其中 ZIF-8-PLs(43)的 CO 2
吸附容量最高，为 63.0 mg/g；ZIF-8-PLs(1400)和 度 [36] 。在化学吸附中，电子在吸附质和吸附剂表面
ZIF-8-PLs(145)的 CO 2 吸附容量分别为 52.6 和 59.4 发生明显转移，分子通过氢键、共价键和离子键等
mg/g。主要原因为，随着 ZIF-8 粒径的减小，其比表 化学键自发吸附到吸附剂表面，化学吸附通常是不
面积增大，活性位点增多，且 CO 2 的内扩散阻力也会 可逆的。一般选择合适的模型，通过实验数据拟合
来确定吸附动力学参数。其中，准一级和准二级动
随着 ZIF-8 粒径的减小而减小，从而有利于提高 CO 2 [37-39]
的捕集容量。此外，本研究中 ZIF-8-PLs 与文献报道 力模型是应用比较广泛的模型 ，其公式分别如
的多孔液体对 CO 2 的吸附能力对比如表 3 所示。从表 式（2）和（3）所示：
准一级动力学模型方程：
3 可以看出，ZIF-8-PLs 在常压下具有较高的 CO 2 吸附
ln(q  q )  lnq  k t （2）
容量，有利于降低捕集成本。综上，粒径调控策略可 e t e 1
准二级动力学模型方程：
以提高多孔液体的碳捕集容量。
t  1  t （3）
q kq 2 q
t 2e e
式中： q 为 t 时刻 CO 2 吸附容量，mg/g； q 为 CO 2
t
e
饱和吸附容量，mg/g； k 为准一级动力学常数，
1
1/min； k 为准二级动力学常数，g/(mg·min)。
2
对不同 ZIF-8-PLs(15%)的碳捕集动力学进行了
拟合，结果如图 10 和表 4 所示。
不同粒径 ZIF-8-PLs 对 CO 2 的吸附速率有着显
著差异，ZIF-8-PLs(145)在 60 min 时对 CO 2 吸附趋于
饱和，而 ZIF-8-PLs(1400)在 150 min 时对 CO 2 吸附才
接近饱和，ZIF-8-PLs(43)的吸附速率则处于两者之

图 9 不同粒径 ZIF-8 多孔液体对 CO 2 的吸附曲线（20 ℃, 间。表 4 汇总了不同 ZIF-8-PLs 对 CO 2 的两种吸附
0.1 MPa） 动力学模型拟合结果。利用准二级动力学模型拟合
Fig. 9 CO 2 adsorption curves of ZIF-8-PLs with different
ZIF-8 particle sizes (20 ℃, 0.1 MPa) 实验数据得到的相关系数高于准一级动力学模型，
说 明准二 级动 力学模 型能 更好地 描述 了不 同
表 3 ZIFs 基多孔液体 CO 2 捕集性能对比 ZIF-8-PLs 对 CO 2 的吸附过程，即 ZIF-8-PLs 对 CO 2
Table 3 Comparison of CO 2 adsorption capacities of 的吸附过程同时存在物理吸附和化学吸附，这与
ZIFs-based porous liquids
SHENG 等 [40] 利用聚醚胺通过硅烷偶联剂连接到纳
吸附容量/ 参考
多孔液体 测试条件 米颗粒（大孔二氧化硅纳米颗粒和中空二氧化硅纳
(mg/g) 文献
米颗粒）合成的Ⅰ型多孔液体吸附 CO 2 行为一致。
ZIF-8/[DBU-PEG][NTf 2]) 68.64 1.0 MPa, 25 ℃ [17]
ZIF-8 PL-4 8.50 0.1 MPa, 25 ℃ [18] 由准二级动力学模型拟合得到的数据为：ZIF-8-
ZIF-8-g-BPEI-30 103.36 1.0 MPa, 25 ℃ [19] PLs(43)、ZIF-8-PLs(145)和 ZIF-8-PLs(1400)的 CO 2
PLs1(14000)-15.5% 6.09 0.1 MPa, 25 ℃ [27] 饱和吸附容量分别为 69.85、64.30 和 57.06 mg/g；ZIF-
PLs1(1000)-5% 2.54
8-PLs(43)、ZIF-8-PLs(145)和 ZIF-8-PLs(1400)吸附 CO 2
PLs2(1000)-5% 2.10 的准二级动力学常数大小顺序为 ZIF-8-PLs(1400)<
ZIF-8/[P 6,6,6,14][NTf 2] 15.32 0.5 MPa, 30 ℃ [34]
ZIF-8-PLs(43)<ZIF-8-PLs(145) ，其中，ZIF-8-PLs(43)
ZIF-8/[P 6,6,6,14][NTf 2] 4.38 0.5 MPa, 30 ℃ [35]
–3
ZIF-8/[P 4,4,4,4][Lev] 0.92 的准二级动力学常数为 1.91×10 g/(mg·min)。ZIF-8-
ZIF-8-PLs(43) 63.0 0.1 MPa, 20 ℃ 本文 PLs(1400)的内扩散阻力较大，其对 CO 2 的吸附速率
ZIF-8-PLs(145) 59.4 较低；此外，黏度会影响气液传质效率，在 20 ℃时，
ZIF-8-PLs(1400) 52.6 ZIF-8-PLs(145)的黏度低于 ZIF-8-PLs(43)，所以 ZIF-

注：[P 6,6,6,14][NTf 2]为三己基十四烷基 双(三氟甲基磺酰基) 8-PLs(145)对 CO 2 的吸附速率高于 ZIF-8-PLs(43)。
酰亚胺盐；[P 4,4,4,4][Lev]为乙酰丙酸四丁基膦。 2.3.3 温度影响

2.3.2 捕集速率 利用 ZIF-8-PLs(145)研究了温度对多孔液体吸
吸附主要分为物理吸附和化学吸附，其中，物 附 CO 2 的影响，结果见图 11。在较低温度下，吸附
理吸附是指通过氢键、范德华力、静电力和疏水相 过程主要受动力学控制，CO 2 分子在接近活性位点