Aminfunktionalisiertes, hypervernetztes Polymer auf Benzolbasis als Adsorptionsmittel für die CO2/N2-Adsorption

May 25, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9214 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wurde ein auf Benzol basierendes hypervernetztes Polymer (HCP) als Adsorptionsmittel mithilfe einer Amingruppe modifiziert, um die Fähigkeit und Selektivität zur CO2-Aufnahme zu verbessern. Basierend auf den Ergebnissen der BET-Analyse bieten das HCP und das modifizierte HCP eine Oberfläche von 806 (m2 g−1) und ein Mikroporenvolumen von 453 (m2 g−1) und 0,19 (cm3 g−1) und 0,14 (cm3 g−1). , jeweils. Die CO2- und N2-Gasadsorption wurde in einem Laborreaktor bei einer Temperatur zwischen 298 und 328 K und einem Druck von bis zu 9 bar durchgeführt. Die experimentellen Daten wurden mithilfe isothermer, kinetischer und thermodynamischer Modelle ausgewertet, um das Absorptionsverhalten zu ermitteln. Die maximale CO2-Adsorptionskapazität bei 298 K und 9 bar betrug 301,67 (mg g−1) für HCP und 414,41 (mg g−1) für aminmodifiziertes HCP. Die Bewertung der thermodynamischen Parameter der CO2-Adsorption, einschließlich Enthalpieänderungen, Entropieänderungen und Gibbs-Änderungen der freien Energie bei 298 K, ergab − 14,852 (kJ mol−1), − 0,024 (kJ mol−1 K−1), − 7,597 (kJ mol−). 1) für HCP bzw. − 17,498 (kJ mol−1), − 0,029 (kJ mol−1 K−1) bzw. − 8,9 (kJ mol−1) für aminfunktionalisiertes HCP. Schließlich wurde die Selektivität der Proben bei einer CO2/N2-Zusammensetzung von 15:85 (v/v) berechnet und eine 43 %ige Steigerung der Adsorptionsselektivität bei 298 K für aminmodifiziertes HCP erhalten.

Übermäßige CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe verursachen schwerwiegende globale Klima- und Umweltprobleme und lenken die Aufmerksamkeit auf Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) auf der ganzen Welt1,2. Über mehrere Jahrzehnte hinweg wurde die CO2-Abscheidung und -Speicherung mithilfe flüssiger Amine als anwendbare Methode entwickelt und wird heute in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt3,4. Allerdings hat diese Methode einige Nachteile, darunter einen hohen Energiebedarf bei der Rückgewinnung, Korrosionsprobleme und Verluste an flüssigem Amin während des Absorptionsprozesses5,6. Um die genannten Probleme anzugehen, haben sich die Forscher stark auf die Entwicklung fester Sorptionsmittel für die CO2-Abscheidung konzentriert, die aufgrund ihres geringeren Energiebedarfs bei der Rückgewinnung, ihrer hohen Adsorptionskapazität, ihres selektiven Verhaltens bei der Gastrennung und ihrer stabilen Leistung in den Adsorptions-Desorptions-Zyklen7 vorgeschlagen werden. Poröse organische Polymere (POPs) sind funktionelle Materialien mit geringer Gerüstdichte, großer spezifischer Oberfläche und stabilen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die umfangreiche Anwendungen in der Gasspeicherung, chemischen Katalyse, Trennung, Arzneimittelabgabe und jedem anderen potenziellen Bereich finden8. (POPs) werden in kovalente organische Gerüste (COFs)9,10, konjugierte mikroporöse Polymere (CMPs)11,12, kovalente Thiazingerüste (CTFs)13,14, metallorganische Gerüste (MOFs)15,16 und intrinsische Polymere eingeteilt Mikroporosität (PIM)17,18, hypervernetzte Polymere (HCPs)19,20 usw.21. HCPs sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche, chemischen Stabilität und guten thermischen Stabilität sowie ihrer hohen Erschwinglichkeit eine Klasse faszinierender Plattformen22. Im Allgemeinen werden HCPs durch übermäßige Vernetzung aromatischer Monomere mittels Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktion erzeugt, was zu einem gestreckten Polymer führt, das porös bleiben kann, wenn das Lösungsmittel entfernt wird23,24.

Derzeit besteht großes Interesse an der Verwendung von hypervernetztem Polymer für Anwendungen zur CO2-Abscheidung und -Speicherung sowie zur Gastrennung24. Beispielsweise synthetisierten Hassan et al.25 auf Triptycen basierende und stickstoffreiche hypervernetzte Polymere (TNHCP-1), was zu einer CO2-Adsorptionskapazität von 98 mg g−1 führte. Hui Gao et al.26 stellten eine auf Pech basierende HCP-Probe her und untersuchten die CO2-Adsorption, die eine CO2-Aufnahmekapazität von 17,74 Gew.-% bei 1,0 bar und 273 K ergab. Den Ergebnissen ähnlicher Untersuchungen zur CO2-Aufnahme durch polymere Adsorbentien zufolge ergaben Daraus kann geschlossen werden, dass eine Verbesserung der Chemie der Oberfläche des Adsorptionsmittels die CO2-Adsorptionskapazität und -selektivität erhöht, indem die intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den CO2-Molekülen und den funktionellen Gruppen der Oberfläche des Adsorptionsmittels verbessert werden7,27,28,29,30,31,32,33. Daher verbessert der Einbau von Heteroatomen wie N, O, S usw. die Heterogenität des Oberflächenpotentials der HCP-Probe, was zu einer Erhöhung der CO2-Aufnahmekapazität und -selektivität führt34,35. Das Hinzufügen von Amingruppen zu einem festen Adsorptionsmittel ist ein wirksamer Ansatz zur Verbesserung der Selektivität, da es die Affinität zur CO2-Adsorption durch den Chemisorptionsmechanismus erhöht33. Der Einbau solcher funktionellen Gruppen in POPs-Vorläufer ist eine zeitaufwändige Aufgabe, da in den meisten Fällen die auf den POPs-Vorläufern vorhandenen funktionellen Gruppen den Polymerisationsbedingungen nicht standhalten konnten oder weil die funktionellen Gruppen mit der Polymerisationsreaktion, die die Polymerisation ablief, nicht kompatibel waren erfolglos36. Eine postsynthetische Modifikation ist eine der effektivsten Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen37. Die Vorteile des Hinzufügens von Amingruppen zu festen Adsorptionsmitteln haben bei der Entwicklung von Verbundwerkstoffen aus Amin und porösem Material zunehmende Aufmerksamkeit erregt38. Chemische Modifikation und physikalische Imprägnierung sind typischerweise die beiden Hauptmethoden zur Funktionalisierung fester Adsorbentien. Obwohl die chemische Modifikation eine einfachere Methode als die physikalische Imprägnierung ist, weist das durch chemische Modifikation bei höheren Temperaturen funktionalisierte Adsorbens eine bessere chemische Stabilität auf als die physikalische Imprägnierungsmethode 29. Beispielsweise stellten Krishnan et al.39 ein aminmodifiziertes mikroporöses HCP-Adsorbens (PCP-) zur Verfügung. 1) mit einer CO2-Aufnahmekapazität von 103,8 mg g−1 bei 273 K und 1 bar. Najafi et al. stellten ein mikroporöses Polymer her, das mit Ethylendiamin (B-Cl-1) imprägniert wurde. Das Ergebnis zeigt die CO2-Adsorptionskapazität von 39,15 mg g−1 bei 273 K und 1 bar29.

Die vorliegende Studie stellt ein neuartiges Adsorptionsmittel zur CO2-Abscheidung aus CO2/N2-Gemischen vor, das speziell auf industrielle Rauchgasströme abzielt. Es wurde ein Adsorptionsmittel aus hypervernetztem Polymer entwickelt, dessen Fähigkeit zur CO2-Abscheidung durch Aminpfropfung deutlich verbessert wurde. Charakterisierungstechniken, einschließlich FTIR-, XPS-, EDS- und BET-Analyse, wurden eingesetzt, um die morphologischen Oberflächeneigenschaften des Adsorbens zu untersuchen. Die Untersuchung des CO2-Adsorptionsmechanismus mithilfe der FTIR-Spektroskopietechnik gab Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften und die Rolle des Amineinbaus bei der CO2-Adsorption. Darüber hinaus liefert diese Forschung durch die Entwicklung von Isothermen- und Kinetikmodellen aufschlussreiche Informationen über den Bereich des CO2-Adsorptionsprozesses. Die Modellierungsansätze untersuchen die Adsorptionsmechanismen und das dynamische Verhalten der CO2-Adsorption. Darüber hinaus haben diese Modelle praktische Auswirkungen auf industrielle Prozessdesignanwendungen und ermöglichen die Optimierung und Skalierung von CO2-Abscheidungssystemen. Darüber hinaus wurde die thermodynamische Machbarkeit des Adsorptionsprozesses für beide Probentypen untersucht, was wertvolle Einblicke in den Energiebedarf und die Effizienz des CO2-Desorptionsschritts lieferte. Unter Verwendung der Ideal Adsorbed Solution Theory (IAST) prognostizierte die Forschung die Adsorptionsleistung des Adsorptionsmittels für die typische Zusammensetzung von CO2/N2, wie z. B. 15:85 (v/v), die in industriellen Schornsteinen zu finden ist. Die Ergebnisse dieser Forschung tragen zur Entwicklung effizienterer und nachhaltiger CO2-Abscheidungstechnologien mit potenziellen Anwendungen in großindustriellen Umgebungen bei.

Benzol, wasserfreies Eisen(III)-chlorid, Salpetersäure (65 %), Schwefelsäure (98 %), Ameisensäure, Natriumhydroxid, 1,2-Dichlorethan (DCE), Formaldehyd-Dimethylacetal (FDA), Ethanol und Eisen Nanopulver (durchschnittlich 25 nm) wurden von der Firma Merck geliefert. Während der Synthese und Modifizierung des Adsorptionsmittels wurden destilliertes Wasser und Ethanol zum Waschen verwendet. Alle genannten Materialien wurden ohne weitere Reinigung verbraucht.

Das auf Benzol basierende hypervernetzte polymere Adsorbens (HCP) wurde durch die von Li et al.23 beschriebene „Strickmethode“ synthetisiert. Um die höchste spezifische Oberfläche und die höchste Gasadsorptionsfähigkeit durch das HCP-Adsorptionsmittel zu erreichen, wurden die Syntheseparameter wie Synthesezeit und Vernetzer-zu-Benzol-Verhältnis im optimalen Zustand berücksichtigt, der von Ramezanipour et al.40 beschrieben wurde. Bei einer allgemeinen Methode wurden Benzol (0,02 Mol), 1,2-Dichlorethan (30 ml) und FDA (0,06 Mol) in einen Dreihalskolben gegeben und der Kolbeninhalt bei Raumtemperatur in Gegenwart von Stickstoff gemischt Atmosphäre für 15 Min. Dann wurde das Eisen(III)-chlorid (0,06 mol) zu der Mischung gegeben und die resultierende Mischung 3 Stunden lang bei 40 °C gerührt. Nach 3 Stunden wurde die Temperatur der Mischung auf 80 °C erhöht und der Kolbeninhalt wurde 13 Stunden lang in einer Stickstoffatmosphäre und unter Rückflussbedingungen gerührt. Schließlich wurde der Kolbeninhalt auf Raumtemperatur abgekühlt und das resultierende Polymernetzwerk filtriert und mit entionisiertem Wasser und Ethanol unter Verwendung der Soxhlet-Extraktionsapparatur 15 Stunden lang gereinigt. Das gereinigte HCP wurde 12 Stunden lang in einem Ofen und Vakuum bei 150 °C getrocknet, was ein braunes Pulver ergab. Das Verfahren zur Synthese des HCP-Adsorbens ist in Abb. 1 dargestellt.

Verfahren zur Synthese von HCP auf Benzolbasis.

Die HCP-Adsorbens-Aminierung wurde durchgeführt, um die Stickstoffplätze in der HCP-Adsorbensstruktur zu erhöhen. Es sollte berücksichtigt werden, dass durch eine Hypervernetzungsreaktion mit einem molaren Verhältnis von FDA zu Benzol von 3 die drei Kohlenstoffe der sechs Kohlenstoffe, die im Benzolring vorhanden sind, durch das Vernetzungsmolekül in benachbarte Benzolmoleküle eingebaut werden. Die drei verfügbaren Kohlenstoffatome in jedem Benzolring haben also das Potenzial, nitriert zu werden und Nitrobenzolmoleküle im Adsorptionsnetzwerk zu bilden41. In einem typischen Verfahren wurde die HCP-Adsorptionsmittelmodifikation durch Synthese von primärem Amin (–NH2) am aromatischen Benzolring in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt erfolgte der Einbau der Nitrogruppe (–NO2) in den aromatischen Benzolring durch elektrophile Substitution von Benzolmolekülen durch Nitroniumionen (NO2+)42. Die Bildung von Nitroniumionen und der Mechanismus der aromatischen Nitrierung sind in Gleichung dargestellt. (1) und Gl. (2)42,43. Um die Nitrierung der Benzolmoleküle durchzuführen, die nitriertes HCP-Adsorbens (Nitro-HCP) ergaben, wurde eine Mischung aus HCP (5 g), 14,3 M Salpetersäure (8,8 ml), 2 M Schwefelsäure (5 ml) und entionisiertem Wasser (50 ml) verwendet ) wurden in einen Rundkolben gegeben. Dann wurde der Kolbeninhalt 10 Stunden lang bei 55 °C unter Rückflussbedingungen gemischt und dann wurde der Kolbeninhalt mehrmals filtriert und mit entionisiertem Wasser gereinigt, um die überschüssigen Säuren zu entfernen, die in den Poren des Adsorptionsmittels feststeckten. Das gereinigte nitrofunktionalisierte HCP wurde 10 Stunden lang in einem Ofen bei 120 °C getrocknet, was das hellorangefarbene Pulver ergab.

Im zweiten Schritt erfolgt die Reduktion der Nitrogruppe (–NO2) zu einer Amingruppe (–NH2) durch die „Bechamp-Reduktionsreaktion“, die von Popat et al.44 beschrieben wurde. Der Mechanismus der Nitrogruppenreduktion (Bechamp-Reaktion) ist in Gleichung dargestellt. (3)44. Zur Synthese des aminierten HCP-Adsorptionsmittels wurde eine Mischung aus Nitro-HCP-Pulver (5 g), Eisennanopulver (16 g), 0,01 M Ameisensäure (0,2 ml) und entionisiertem Wasser (300 ml) in einen Rundkolben gegeben. Die Mischung wurde unter Verwendung eines 400-W-Ultraschallgeräts mit einer Frequenz von 20 kHz (400 W, Fanavari Iranian Pajouhesh Nasir Company, Iran) bei einem pH-Wert von 5,1 und einer Temperatur von 100 °C 2 Stunden lang unter Rückflussbedingungen gemischt. Nach 2 Stunden wurde der Kolbeninhalt filtriert und mehrmals mit einer überschüssigen Menge NaOH-Lösung (0,1 M) und entionisiertem Wasser gewaschen, bis der pH-Wert neutral war. Schließlich wurde das filtrierte Netzwerk 12 Stunden lang in einem Vakuumofen bei 140 °C getrocknet. Das HCP-Aminierungsverfahren ist in Abb. 2 dargestellt.

Verfahren zur Aminfunktionalisierung des benzolbasierten HCP.

Um die Elementzusammensetzung von HCP und aminmodifizierten HCP-Adsorbentien zu charakterisieren, wurde die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)-Analyse mit dem Philips-×130-Instrument durchgeführt, außerdem wurde die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Analyse verwendet ein Al-Kα-Quelleninstrument (XPS-Spektrometer Kratos AXIs Supra). Um die Morphologie der Adsorbentien und die Charakterisierung der Porengröße zu untersuchen, wurde die Stickstoffadsorptions- und -desorptionsanalyse bei 77 K mit dem ASAP 2020 M-Analysator und die FTIR-Analyse mit dem PerkinElmer FTIR-Spektrometer durchgeführt.

Gemäß Abb. 3 treten CO2- oder N2-Gase mit einer hohen Reinheit von 99,99 % aus der Gasspeicherflasche aus und das Gas wird durch einen elektrischen Heizer erhitzt. Dann gelangt das Gas in den Mischtank, im Mischtank werden die Temperatur und der Druck des Gases gleichmäßig, und dann wird das Gas in den Reaktor überführt, wo das Gas auf das Adsorptionsmittel trifft. Die am Reaktor installierten Druck- und Temperatursensoren messen den Gasdruck und die Temperatur und liefern die Daten an die Steuerung. Dank der Anpassung der Heizleistung durch den Regler wird die Reaktortemperatur auf der Solltemperatur gehalten und die Temperatur- und Druckdaten werden jede Sekunde im Computergerät aufgezeichnet. Gleichung (4) stellt die Berechnung der Adsorptionskapazität dar.

wobei i und f den Anfangs- und den Endzustand darstellen. P, V, R, T, Mw, W und Z sind jeweils der Druck, das Reaktorvolumen, die globale Gaskonstante, die Temperatur, das Molekulargewicht des Gases, die Masse des Adsorptionsmittels und der Kompressibilitätsfaktor. Der B-Parameter bezieht sich auf den virialen zweiten Koeffizienten, der mithilfe der Tsonopoulos-Korrelation45 berechnet und in den Gleichungen dargestellt wird. (6–8). Die Betriebsbedingungen, die als wirksame Parameter für den CO2/N2-Adsorptionsprozess gelten, sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Experimenteller CO2-Adsorptionsaufbau.

Der anwendbare Ansatz für die Berechnung binärer Gemische ist die Theorie der idealen adsorbierten Lösung (IAST), die von Myers und Prausnitz46 eingeführt wurde. Nach dieser Theorie gilt die adsorbierte Phase als ideale Phase ohne Wechselwirkung in binären Gemischsystemen. Basierend auf dieser Theorie reichen für ein bestimmtes Adsorptionsmittel bei einer festen Temperatur nur Adsorptionsisothermen reiner Komponenten aus, um den Molanteil der Komponente j (xj) und die Gesamtmenge der adsorbierten Komponenten (nt) in der adsorbierten Phase zu berechnen47. In dieser Theorie ist der Ausbreitungsdruck (P*) als hypothetischer Druck adsorbierter Phasenkomponenten auf der Adsorptionsmitteloberfläche definiert. Für ein Zweikomponenten-Gassystem (a, b) beginnt der IAST-Ansatz mit der Verknüpfung des Ausbreitungsdrucks (Pj*) mit der Systemzusammensetzung sowohl in der Gasphase (yj) als auch in der adsorbierten Phase (xj). Das Berechnungsverfahren ist in Gl. zusammengefasst. (9).

wobei sich n(P), x, y, P, P* und nt auf das Adsorptionsisothermenmodell, den Molanteil in der adsorbierten Phase, den Molanteil in der Gasphase, den Gesamtdruck, den Ausbreitungsdruck und die Gesamtmenge der adsorbierten Phase beziehen, jeweils. Das Auflösen des Satzes der genannten Gleichungen nach \(P_{a}^{*}\) und \(P_{b}^{*}\) führt zu allen Informationen über die Systemzusammensetzung48.

Die Porositäten beider Arten von Adsorptionsmitteln wurden anhand der Stickstoffadsorptions-Desorptions-Isothermen bei 77, 3 K gemessen, die in Abb. 4a dargestellt sind. Gemäß Abb. 4a bezieht sich die schnelle Adsorption von Stickstoff durch beide Arten von Adsorptionsmitteln bei einem relativen Druck von weniger als 0,05 auf das Vorhandensein von Mikroporen in der Struktur des Adsorptionsmittels, während das Vorhandensein einer Hystereseschleife bei einem höheren relativen Druck (0,2 < P/P0) vorliegt < 0,8) beweist den mesoporösen Charakter. Die Hystereseschleife bei einem hohen relativen Druck (P/P0 > 0,8) weist auf das Vorhandensein von Hohlräumen und Makroporen zwischen den Partikeln in der Polymerstruktur hin49. Die detaillierten Porositätseigenschaften der Adsorbentien sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die BET-Oberfläche der Adsorbentien ist in absteigender Reihenfolge von HCP (806 m2/g) > aminfunktionalisiertes HCP (453 m2/g) angegeben. Die Oberflächenverringerung bei aminmodifiziertem HCP kann mit der teilweisen Füllung des Porenvolumens durch die Amingruppe zusammenhängen50. Die Porengrößenverteilungskurven von Adsorbentien sind in Abb. 4b dargestellt. Gemäß Abb. 4b wird für HCP-Adsorptionsmittel ein Porendurchmesserpeak bei 3,59 nm und für aminmodifiziertes HCP zwei Peaks bei 2,53 nm und 4,05 nm beobachtet, was eine gute Übereinstimmung mit dem Vorhandensein einer Hystereseschleife in Stickstoffadsorptionsisothermen aufweist. Das Ergebnis der Porengrößenverteilungskurve von modifiziertem HCP weist auf einige Veränderungen in der Porenstruktur nach der Funktionalisierung hin. Dementsprechend kann der Einbau der Amingruppe Mesoporen in mehrere Mikroporen trennen, was das resultierende HCP für CO2-Adsorptionsanwendungen günstiger macht51. Die FTIR-Spektren der Adsorbentien sind in Abb. 5 dargestellt. Im Spektrum des aminmodifizierten HCP stehen die Peaks bei 3442 cm−1 und 3360 cm−1 im Zusammenhang mit primären Amin-NH-Streckschwingungen, der Peak bei 1619 cm− 1 hängt mit der N-H-Biegung des primären Amins zusammen, und der Peak bei 1281 cm-1 steht mit der C-N-Streckung in der Amin-Funktionsgruppe in Zusammenhang52. Das Ergebnis des Spektrums belegt den erfolgreichen Einbau der Amingruppe in die HCP-Struktur. Das Ergebnis der EDX-Analyse ist in Abb. 6 für beide Adsorbentientypen dargestellt. Den Ergebnissen der EDX-Elementaranalyse zufolge umfassen die Bestandteile der HCP-Probe 94,74 % Kohlenstoff, 3,91 % Sauerstoff und 1,31 % Chlorelemente, die mit der Friedel-Crafts-Reaktion zusammenhängen. Nach der Aminfunktionalisierung zeigt das EDX-Ergebnis, dass die modifizierte HCP-Probe 86,48 % Kohlenstoff, 7,42 % Sauerstoff, 1,17 % Chlor und 4,93 % Stickstoff enthält, was den erfolgreichen Einbau der Amingruppe in die HCP-Netzwerkstruktur beweist. Die Erhöhung des Sauerstoffatomanteils in modifiziertem HCP kann mit der nicht umgesetzten Nitrogruppe (–NO2) in der Polymerstruktur zusammenhängen. Zur besseren Beurteilung der Eigenschaften der aminmodifizierten HCP-Probe wurde die XPS-Analyse im Bereich von 0 bis 800 eV angewendet, wie in Abb. 7 dargestellt. Gemäß Abb. 7a sind vier Peaks bei 198,5 eV und 285,5 eV zu beobachten , 400,4 eV und 533,7 eV, die Cl 1 s (1,11 %), C 1s (86,66 %), N 1s (5,17 %) bzw. O 1s (7,06 %) entsprechen. Das Chlorelement (1,11 %) liegt in ionischer Form (Cl−) vor, die vom Lewis-Säure-Katalysator übrig geblieben ist, der in der Friedel-Crafts-Reaktion53 verwendet wurde. Basierend auf den hochauflösenden Spektren des C 1s-Elements, die in Abb. 7b dargestellt sind, kann gefolgert werden, dass sich der C 1s-Peak in drei Peaks entfaltet hat, die mit C-C/C=C-Bindungen in Zusammenhang stehen (284,6 eV). C-OH-Bindung (286,4 eV) und C-N-Bindung (285,8 eV). Entfaltete Peaks der N 1 s-Spektren, die in Abb. 7c dargestellt sind, werden der Amingruppe N (–NH2-Peak bei 399,0 eV) und der Nitrogruppe N (–NO2-Peak bei 404,9 eV) zugeordnet. Basierend auf den Ergebnissen können etwa 3,48 % des gesamten Stickstoffelements als Amingruppe im Amin-funktionalisierten HCP-Probengerüst und 1,69 % des gesamten Stickstoffelements als Nitrogruppe vorliegen. Gemäß Abb. 7d bestehen die O 1s-Spektren aus zwei unterschiedlichen Peaks, die mit der NO-Bindung in der Nitrogruppe (–NO2-Peak bei 532,5 eV) und der C-OH-Bindung (533,1 eV) zusammenhängen54,55 ,56,57.

(a) Stickstoffadsorptions-Desorptions-Isothermenkurven für HCP- und aminfunktionalisierte HCP-Adsorbentien, (b) Porengrößenverteilungskurven (berechnet basierend auf der BJH-Methode).

FTIR-Spektren von HCP- und aminfunktionalisierten HCP-Adsorbentien.

EDX-Elementaranalyse von HCP und aminfunktionalisierten HCP-Adsorbentien.

XPS-Analyseergebnisse der Amin-funktionalisierten HCP-Probe (a) Übersichtsscanspektrum der Probe (b) Hochauflösendes C-1s-Spektrum, (c) Hochauflösendes N-1s-Spektrum, (d) Hochauflösendes O-1s-Spektrum.

Um das CO2/N2-Adsorptionsverhalten von HCP- und N-HCP-Adsorbentien zu untersuchen, wurde die Gleichgewichtsisothermenmodellierung durchgeführt. Die Isothermenmodellierung wurde verwendet, um die Affinität und Oberflächeneigenschaften des Adsorptionsmittels zu bestimmen, was für die Gestaltung des Adsorptionssystems wichtig ist. Die folgenden Dubinin-Radushkevich-, Temkin-, Freundlich-, Langmuir- und Hill-Isothermenmodelle, die in den Gleichungen dargestellt sind: (13–17) wurden verwendet, um die experimentelle CO2- und N2-Adsorptionskapazität beider Adsorptionsmitteltypen anzupassen. Die genannten Modelle wurden in Abb. 8 bei einer konstanten Temperatur von 298 K und einem Druckintervall zwischen 1 und 9 bar dargestellt. Darüber hinaus sind die Modellparameter und Korrelationskoeffizienten (R2) bei Temperaturen von 298 K, 308 K und 318 K in Tabelle 3 aufgeführt.

Dabei sind qe und qm die Gleichgewichtsmenge und die maximale CO2/N2-Adsorptionskapazität (mg g−1), pe der Druck im Gleichgewichtszustand (bar), KF (mg g−1 bar1/n) und nF der Freundlich-Wert Modellkonstanten, Kl ist die Langmuir-Modellkonstante, KH (bar1/n) und nH sind die Hill-Modellkonstanten. Der Begriff \(\lambda\) im (D–R)-Modell ist die Modellkonstante (mol2 J−1) und der Begriff \(\omega\) bezieht sich auf das Polanyi-Potenzial (J mol−1), AT (L mol− 1) ist die Konstante des Temkin-Modells und der Begriff B bezieht sich auf den ersten Virialkoeffizienten (\(B = \left( {\frac{RT}{{b_{T} }}} \right), b_{T} = \ left( {J.mol^{ - 1} } \right) )\)58. Gemäß den Ergebnissen in Tabelle 3 wird die Freundlich-Modellkonstante KF, die sich auf die Adsorbat-Adsorbens-Affinität bezieht, durch die steigende Temperatur verringert, was sich auf das Vorherrschen des Physisorptionsmechanismus gegenüber dem Chemisorptionsmechanismus für die Adsorption von CO2/N2 durch beide Arten von bezieht Adsorbentien, außerdem beweist die Verringerung der Adsorptionskapazität durch Temperaturerhöhung das exotherme Verhalten des Adsorptionsprozesses. Darüber hinaus stellt der Freundlich-Konstante n-Bereich zwischen 1 und 2 die günstige CO2/N2-Adsorption dar59. Darüber hinaus deutet der auf der Grundlage des Dubinin-Radushkevich-Modells berechnete \(\omega\)-Wert unter 8 kj/mol auf die physikalische Adsorption von Gasen auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels hin. Basierend auf den durchschnittlichen R2-Werten von Isothermenmodellen weist das Freundlich-Modell die höchste Genauigkeit auf als andere, was bedeutet, dass die Oberfläche des Adsorbens heterogen ist und der Adsorptionsprozess mehrschichtig auf der Oberfläche abläuft60.

Vergleich von Isothermenmodellen und experimentellen Werten der CO2/N2-Adsorption bei einer Temperatur von 298 K durch (a) HCP, (b) aminmodifiziertes HCP.

Die Adsorptionsprozesse gasförmiger Moleküle auf Oberflächen poröser Materialien werden durch Oberflächenheterogenität, miteinander verbundene Porositäten und die mikroporöse oder mesoporöse Struktur des Adsorptionsmittels beeinflusst. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Adsorptionsoberfläche spielen eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung des Adsorptionsmechanismus. Um die Adsorptionskinetik zu untersuchen, werden einige theoretische Modelle verwendet, darunter Modelle erster Ordnung, zweiter Ordnung, gebrochener Ordnung, Geschwindigkeitssteuerung und Elovich-Modelle, die in den Gleichungen dargestellt sind. (18–22) wurden jeweils mit experimentellen Daten angepasst und in Abb. 9 dargestellt. Darüber hinaus wurden die Modellparameter und Korrelationskoeffizienten der CO2/N2-Adsorption bei Temperaturen von 298 K, 308 K, 318 K und einem Druck von 5 bar ermittelt wurden in Tabelle 4 aufgeführt.

Dabei beziehen sich qt, k1, k2 und kn auf die Adsorptionskapazität, die Geschwindigkeitskonstante des Modells erster Ordnung, die Geschwindigkeitskonstante des Modells zweiter Ordnung bzw. die Geschwindigkeitskonstante des Modells fraktionaler Ordnung. Die Terme m, n, \(\alpha\) und \(\beta\) sind die Parameter des kinetischen Modells61. Das Modell erster Ordnung basiert auf der Annahme, dass die Änderungsrate der Aufnahme gelöster Stoffe mit der Zeit direkt proportional zum Unterschied in der Sättigungskonzentration und der Menge der Feststoffaufnahme mit der Zeit ist, was den physikalischen Adsorptionsprozess zeigt. Eine Abnahme von R2 des letztgenannten Modells, wie in Tabelle 4 gezeigt, weist auf eine zunehmende Rolle der chemischen Adsorption beim Adsorptionsprozess hin62. Das Rate Controlling Model wurde in großem Umfang für die Analyse von Massentransfermechanismen genutzt, wobei die Diffusion innerhalb der Partikel als ausschließlich bestimmender Faktor bei der Regulierung der Geschwindigkeit des Prozesses etabliert wurde. Aus Tabelle 4 geht hervor, dass R2 dieses Modells nach der Aminmodifikation zugenommen hat, was darauf hindeutet, dass Diffusion der geschwindigkeitskontrollierende Prozess ist. Dies kann auf die Verringerung der Porengröße nach der Aminmodifikation zurückgeführt werden, die auch im Abschnitt zur N2-Adsorption/Desorption gezeigt wird63. Gemäß den Erkenntnissen aus Tabelle 4 und den Korrelationskoeffizientenwerten (R2) der kinetischen Modelle kann die fraktionale Ordnung als bestes Modell zur Beschreibung der Beziehung zwischen CO2/N2-Adsorptionskapazität und Reaktionszeit gewählt werden. Das kinetische Modell gebrochener Ordnung bietet eine umfassendere und präzisere Darstellung von Adsorptionsphänomenen, die von der Kinetik ganzzahliger Ordnung abweichen. Es berücksichtigt Überlegungen zur Oberflächenheterogenität, zur Mehrschichtadsorption und zu den Wechselwirkungen zwischen Adsorbatmolekülen, die alle zur Komplexität des Adsorptionsprozesses beitragen64

Vergleich kinetischer Modelle und experimenteller Werte der CO2/N2-Adsorption bei einer Temperatur von 298 K und einem Druck von 5 bar durch (a) HCP, (b) aminmodifiziertes HCP.

Die thermodynamische Analyse des Adsorptionsprozesses wurde untersucht, indem thermodynamische Parameter einschließlich Gibbs-Änderungen der freien Energie (ΔG), Entropieänderungen (ΔS) und Enthalpieänderungen (ΔH) bei einer Temperatur von 298–328 K und einem Druck von 5 bar unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet wurden:

wobei sich \(\Delta P_{ads}\), V, W und R auf die Anfangs- und Enddruckdifferenz des Reaktorbehälters, das Reaktorvolumen, das Adsorptionsmittelgewicht und die globale Gaskonstante (8,314 J mol−1 K−1) beziehen, bzw.40. Durch Auftragen der Werte von ln (Kd) gegen die 1/T-Werte werden die Van't-Hoff-Diagramme erstellt und in Abb. 10 dargestellt. Die Steigung des Van't-Hoff-Diagramms ist Enthalpie (\({\Delta H} ^{0}\)) und der Achsenabschnitt des Diagramms sind die Entropiewerte (\({\Delta S}^{0}\)) der Adsorption, die \({\Delta G}^{0}\) der Adsorption kann mit Gl. berechnet werden. (25). Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse der thermodynamischen Parameter der CO2/N2-Adsorption für beide Adsorptionsmitteltypen. Den Erkenntnissen zufolge sind die negativen Werte der Adsorptionsenthalpie auf den exothermen Adsorptionsprozess zurückzuführen. Darüber hinaus zeigt die Enthalpie der CO2-Adsorption durch eine Amin-modifizierte HCP-Probe (−17,498 kJ/mol) einen negativeren Wert als die HCP-Probe (−14,852 kJ/mol). Durch die Berücksichtigung einer höheren Wärmefreisetzung während des Adsorptionsprozesses, wenn aminiertes HCP als Adsorptionsmittel verwendet wird, kann die CO2-Aufnahme günstiger sein, indem die Heterogenität der HCP-Oberfläche verbessert wird65. Die (\({\Delta S}^{0}\))-Werte des Adsorptionsprozesses liefern wichtige Erkenntnisse über die zufällige oder organisierte Beziehung zwischen Adsorbatmolekülen und Adsorbensoberfläche. Sie kann durch positive Werte der Adsorptionsentropie (\({\Delta S}^{0} > 0\)) zufälliger oder durch negative Werte der Adsorptionsentropie (\({\Delta S}^{0) weniger zufällig sein } < 0\)). Wenn man die negativen Werte der Entropie für alle Systeme berücksichtigt, kann man schlussfolgern, dass die Gas-Feststoff-Grenzfläche weniger zufällig ist. Die negativen Werte von \({\Delta G}^{0}\) für alle Systeme weisen darauf hin, dass die Adsorptionsprozesse thermodynamisch machbar sind und spontan ablaufen58.

Die Van't-Hoff-Diagramme der CO2/N2-Adsorption bei einem Druck von 5 bar durch (a) Amin-funktionalisiertes HCP, (b) HCP.

Um die CO2-Adsorptionsleistung in beiden Adsorbentientypen zu untersuchen, wurden die CO2-Aufnahmemengen gegen Adsorptionszeit und -temperatur bei 5 bar aufgetragen. Die Ergebnisse sind in Abb. 11 dargestellt. Wie ersichtlich ist, führte ein Temperaturanstieg von 298 auf 328 K zu einer verringerten CO2-Aufnahmekapazität und die höchste Adsorptionskapazität wurde bei 298 K und 3600 Sek. bei beiden Arten von Adsorptionsmitteln beobachtet. Die Abnahme der CO2-Aufnahme kann mit dem Überwiegen der Physisorption des CO2-Moleküls auf der Oberfläche des Adsorbens und der schwachen Van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen Adsorbensoberfläche und Adsorbatmolekül zusammenhängen. Basierend auf dem Ergebnis in Abb. 11 erfolgte die CO2-Adsorption auf der HCP-Oberfläche schneller als bei gleichzeitig modifiziertem HCP. Daraus lässt sich schließen, dass der Einbau von Amingruppen die Heterogenität der HCP-Oberfläche verändert und die Quadrupol-Dipol-Wechselwirkung zwischen CO2 und Adsorbensoberfläche verbessert, was zu einer zunehmenden Tendenz von CO2-Molekülen zur Adsorption an der Oberfläche führt und die Stofftransferrate in die Poren des Adsorbens verbessert.

Einfluss von Temperatur und Adsorptionszeit auf die CO2-Adsorptionsleistung bei einem Druck von 5 bar, durch (a) HCP, (b) aminfunktionalisiertes HCP.

Um den CO2-Adsorptionsmechanismus und die Rolle der Amingruppe bei der chemischen Adsorption der CO2-Moleküle zu untersuchen, wurden die FTIR-Spektren der beiden HCP-Proben nach dem Adsorptions-/Desorptionsprozess erstellt. Gemäß den FTIR-Spektren der HCP-Probe (Abb. 12a) kann nach dem CO2-Adsorptionsprozess ein scharfer Peak bei etwa 2345 cm−1 beobachtet werden, der mit der Streckschwingung des CO2-Moleküls zusammenhängt. Daher kann der Schluss gezogen werden, dass die CO2-Moleküle durch den Physisorptionsmechanismus von der HCP-Probe adsorbiert werden können. Im Gegensatz dazu repräsentieren die FTIR-Spektren der Amin-funktionalisierten HCP-Probe (Abb. 12b) die gleichzeitige CO2-Adsorption über Chemisorptions- und Physisorptionsmechanismen. In Abb. 12-b entspricht der bei 2349 cm-1 beobachtete scharfe Peak der CO2-Streckschwingung, die den physikalischen Adsorptionsmechanismus beweist, während einige neue Banden, die nach der CO2-Adsorption beobachtet wurden, auf die chemische Adsorption der CO2-Moleküle durch die CO2-Moleküle hinweisen modifiziertes HCP. In Abb. 12b hängen die beobachteten Banden um 2997 cm−1 und 1626 cm−1 mit der Ammoniumbildung zusammen, insbesondere \({\text{R}} - {\text{NH}}_{3}^{ + } \) Streckschwingung bzw. \({\text{R}} - {\text{NH}}_{2}^{ + }\) Streckschwingung. Das Vorhandensein der Bande bei 1686 cm−1 hängt mit der C=O-Bindungsstreckschwingung zusammen, die die Bildung von Carbaminsäure beweist, und auch die beobachteten Banden um 1532 cm−1 und 1686 cm−1 entsprechen der asymmetrischen und symmetrischen Streckschwingung von COO− , die auf die Bildung der Carbamat-Ionen zurückgeführt werden66,67,68.

FTIR-Spektren der (a) HCP-Probe, (b) der mit Amin funktionalisierten HCP-Probe nach dem CO2-Adsorptions-/Desorptionsprozess.

Im Allgemeinen kann die Aufnahme von CO2-Molekülen durch Amineinheiten über eine zweistufige Reaktion erfolgen: Zuerst adsorbiert das primäre Amin die CO2-Moleküle über ein Zwitterion-Zwischenprodukt (\({\text{R}} - {\text{NH}}_{2 }^{ + } \cdots {\text{ COO}}^{ - }\)) Bildung. Als nächstes führt die Zwitterion-Zwischendeprotonierung mit den benachbarten Amineinheiten zu Ammonium-Carbamat-Ionenpaaren ((\({\text{R}} - {\text{NH}}_{3}^{ + } \cdots {\text { COO}}^{ - } - {\text{NH}} - {\text{R}}\))) Bildung, auch Carbaminsäure (\({\text{R}} - {\text{NH} } - {\text{ COOH}}\)) Spezies können durch intermolekularen Prototransfer68 gebildet werden. Basierend auf den Ergebnissen der FTIR-Analyse bestätigen die FTIR-Spektren der mit Amin funktionalisierten HCP-Probe die erwähnte Speziesbildung nach dem CO2-Adsorptionsprozess. Der allgemeine Ablauf der Aufnahme von CO2-Molekülen durch den Chemisorptionsmechanismus ist in Abb. 13 grafisch dargestellt.

CO2-Chemisorptionsmechanismus durch eine Amin-funktionalisierte HCP-Probe.

Um die Effizienz des CO2-Desorptionsprozesses zu untersuchen, wurde der Prozess 8 Stunden lang bei einer Temperatur von 410 K in einem Vakuumofen durchgeführt. Die FTIR-Spektren der beiden HCP-Proben nach dem CO2-Desorptionsprozess (Abb. 12) bestätigen die vollständige Desorption der CO2-Moleküle von der Oberfläche beider HCP-Adsorbentien.

Grundsätzlich lässt sich die Adsorptionsselektivität von CO2 gegenüber N2 auf mehrere molekulare Eigenschaften zurückführen. Erstens weist CO2 ein höheres Quadrupolmoment um etwa 4,3 \(\times\) 10−26 \({\text{esu}}^{ - 1} {\text{cm}}^{ - 1}\) auf als das N2 (1,52 × 10−26 \({\text{esu}}^{ - 1} {\text{cm}}^{ - 1}\)), was zu einer stärkeren Van-der-Waals-Kraft zwischen CO2-Molekülen und führt der adsorbierenden Oberfläche. Durch diese stärkere Wechselwirkung kann CO2 effektiver an den Oberflächen poröser Polymere haften und so dessen Adsorptionskapazität verbessern. Darüber hinaus ist CO2 stärker polarisierbar als N2, mit einem Polarisierbarkeitswert von 29,1 × 10−25 cm3 für CO2 und 17,4 × 10−25 cm3 für N2. Dadurch können CO2-Moleküle in Gegenwart eines elektrischen Feldes stärker verformt werden, was ihre Adsorption an das Adsorptionsmaterial erleichtert. Darüber hinaus kann aus der Betrachtung der kinetischen Durchmesserwerte von N2 (0,36 nm) und CO2 (0,33 nm) geschlossen werden, dass Molekularsiebtechniken möglicherweise keinen signifikanten Einfluss auf deren Trennung haben69,70. Infolgedessen trägt eine Kombination der genannten Effekte, einschließlich des höheren Quadrupolmoments und der höheren Polarisierbarkeit des CO2-Moleküls, zu seiner verbesserten Adsorption im Vergleich zu N2 bei. Diese molekularen Eigenschaften ermöglichen es CO2, stärkere Wechselwirkungen mit dem Adsorptionsmittel mit einer heterogeneren Oberfläche einzugehen, was zu einer höheren Selektivität für CO2 gegenüber N2 während des Adsorptionsprozesses führt71.

Neben den molekularen Eigenschaften des Adsorbats kann auch der Betriebszustand die Selektivität von CO2 gegenüber N2 stark beeinflussen. Daher kann die Berücksichtigung des Drucks und der Temperatur des Adsorptionsprozesses einige nützliche Erkenntnisse über die Abhängigkeit der CO2/N2-Selektivität vom Betriebszustand liefern. Bei der Durchsicht der Literatur kann festgestellt werden, dass bei industriellen Gastrennungsanwendungen die Rauchgaszusammensetzung für CO2:N2-Gase selten 15:85 (Vol./Vol.) überschreitet72. Um die Adsorptionsselektivität von HCP und aminmodifiziertem HCP mit dem IAST-Ansatz zu untersuchen, wurde die Gaszusammensetzung für CO2:N2 mit 15:85 angenommen und für die Berechnung wurden Langmuir-Isothermenparameter verwendet. Die Ergebnisse der IAST-Berechnung für beide Arten von Adsorptionsmitteln bei Temperaturen von 298 K, 308 K und 318 K wurden grafisch dargestellt und in Abb. 14 dargestellt. Dieser Abbildung zufolge zeigt die aminmodifizierte HCP-Probe ein selektiveres Verhalten für die CO2-Adsorption als Wenn sich die HCP-Probe in einem ähnlichen Zustand befindet, kann dies mit der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Oberfläche, einschließlich des Dipol-Quadrupol-Moments oder der Polarisierbarkeit, nach dem Einbau des Amins in die HCP-Struktur zusammenhängen73.

Selektives Adsorptionsverhalten bei einer CO2/N2-Zusammensetzung von 15:85 durch (a) HCP, (b) aminfunktionalisiertes HCP.

In diesem Abschnitt wurde eine Vergleichsstudie zwischen dieser Studie und ähnlichen Arbeiten zur CO2-Adsorption unter Verwendung von HCP-Proben oder aminmodifizierten HCP-Proben durchgeführt. Die Ergebnisse einiger ähnlicher Studien sind in Tabelle 6 zusammengefasst. Wie in dieser Tabelle angegeben, weisen die HCP- und die aminierten HCP-Proben hohe Adsorptionskapazitäten von q = 301,67 mg/g bzw. q = 414,41 mg/g auf. Der Vergleich zwischen dieser Arbeit und anderen Studien ergab eine hohe Leistung und ein hohes Adsorptionsvermögen der resultierenden HCP-Proben für CO2-Abscheidungsanwendungen.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Wiederverwendbarkeit des Adsorbens der wichtigste Faktor für die industrielle Anwendbarkeit. Um die Recyclingfähigkeit der Adsorbentien zu untersuchen, wurden zehn Adsorptionszyklen bei 298 K und 5 bar mit beiden Adsorbentientypen durchgeführt und die Adsorbentien 8 Stunden lang in einem Vakuumofen bei 410 K recycelt. Das Amin-modifizierte HCP-Adsorptionspotential verringerte sich um 3 %, und das HCP-Adsorptionspotential verringerte sich nach zehn Zyklen um etwa 2 %. Den Erkenntnissen zufolge können beide Arten von Adsorbentien in industriellen Anwendungen als hochwertige Adsorbentien eingesetzt werden.

In dieser Forschung wurde das hypervernetzte polymere Adsorptionsmittel aus einem Benzolvorläufer hergestellt. Um die elektrischen Eigenschaften der resultierenden HCP-Probenoberfläche wie Dipolmoment oder Polarisierbarkeit zu verbessern, wurde eine chemische Modifikation durch Pfropfen von Amingruppen in das HCP-Netzwerk durchgeführt. Zusammenfassend belegen die Ergebnisse der FTIR- und XPS-Analyse eine erfolgreiche Pfropfung der Amingruppe auf das HCP-Probengerüst hinsichtlich der Erhöhung des Stickstoffgehalts von 0 auf 5,17 % nach der Aminmodifikation. Die Ergebnisse der BET-Analyse beziehen sich auf eine Verringerung der spezifischen Oberfläche der HCP-Probe von 806 auf 453 (m2 g−1) nach der Oberflächenmodifikation, während CO2-Adsorptionsexperimente darauf hinwiesen, dass die Aminpfropfung der HCP-Probe die CO2-Aufnahmekapazität von 301,67 auf 414,41 erhöhte ( mg g−1) . Daraus kann geschlossen werden, dass ein festes Sorbens mit polarer Oberfläche und engen Mesoporen oder Mikroporen für CO2-Adsorptionsanwendungen besser geeignet sein kann. Die Ergebnisse der Isothermenmodellierung deuten darauf hin, dass das Freundlich-Modell besser zur Adsorption der CO2/N2-Moleküle in mehreren Schichten bei beiden Arten von Proben passt. Auch die kinetische Modellierung des Adsorptionsprozesses verweist auf die am besten geeignete Fähigkeit des Modells fraktionierter Ordnung . Die thermodynamische Untersuchung der CO2/N2-Adsorption beweist die spontane und exotherme Natur der CO2/N2-Adsorption durch beide Probentypen. Ein Vergleich der Adsorptionsselektivität zwischen der HCP-Probe und dem amingepfropften HCP-Adsorbens zeigt eine höhere Selektivität für die Adsorption von CO2 gegenüber N2 in einer spezifischen CO2/N2-Zusammensetzung von 15:85. Die Untersuchung der Recyclingfähigkeit ergab geringfügige Verluste bei der Adsorptionseffizienz der Adsorbentien, was die Eignung der Proben als hochwertige Adsorbentien für industrielle Anwendungen widerspiegelt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Temkin-Modellkonstante (L/mol)

Temkin-Isothermenkonstante (J/mol)

Gleichgewichtskonzentration

Index, der sich auf den Endzustand bezieht

Index, der sich auf den Anfangszustand bezieht

Langmuir-Modellkonstante (bar−1)

Geschwindigkeitskonstante des kinetischen Modells erster Ordnung (min−1)

Freundlich-Modellkonstante (mmol g−1 bar−1/n)

Geschwindigkeitskonstante des kinetischen Modells zweiter Ordnung (g mmol−1 min−1)

Geschwindigkeitskonstante gebrochener Ordnung für die Adsorption [(mmol/g)(1−n) min−m]

Masse des adsorbierten Gases (mg)

Molekulargewicht des Gases (g/mol)

Druck (bar)

Sättigungsdampfdruck (bar)

Gleichgewichtsdruck (bar)

Druck verbreiten

Stoffmengenanteil in der adsorbierten Phase

Stoffmengenanteil in der Gasphase

Adsorptionskapazität (mg/g)

Gleichgewichtsadsorptionskapazität (mmol/g)

Maximale Adsorptionskapazität (mmol/g)

Adsorptionskapazität zum Zeitpunkt t (mmol/g)

Gaskonstante (8,314 JK−1 mol−1)

Korrelationskoeffizient

Temperatur (K)

Zeit(en)

Masse des Adsorbens (g)

Kompressibilitätsfaktor

Enthalpieänderung

Entropieänderung

Gibbs-freie Energieveränderung

Elovich-Modellparameter (mmol g−1 min−1)

Elovich-Modellparameter (g mmol−1)

D-R-Modellkonstante (mol2 J−2)

Polanyi-Potenzial (KJ mol−1)

Ethylendiamin

Polyethylenimin

Tetraethylenpentamin

Tetraethylentriamin

Diethylentriamin

Hypervernetztes Polymer

Mikroporenvolumen

Mikroporenbereich

Durchschnittliche Porenweite

Fourier-Transformations-Infrarot

Porengrößenverteilung

Brunauer Emmett Kassierer

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

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Mohammad Reza Moradi, Alireza Torkashvand, Hamid Ramezanipour Penchah und Ahad Ghaemi

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Konzeption und Design der Studie: AG Datenerfassung: MRM und HRP, Analyse und/oder Interpretation von Daten: MRM, ART, HRR, AG

Korrespondenz mit Ahad Ghaemi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Moradi, MR, Torkashvand, A., Ramezanipour Penchah, H. et al. Aminfunktionalisiertes, hypervernetztes Polymer auf Benzolbasis als Adsorptionsmittel für die CO2/N2-Adsorption. Sci Rep 13, 9214 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36434-4

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Eingegangen: 24. Dezember 2022

Angenommen: 03. Juni 2023

Veröffentlicht: 06. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36434-4

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