基于含有四乙基五胺的城市固体废物焚烧底灰的一锅法合成用于二氧化碳捕获的地质聚合物

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：One-Pot Synthesis of Tetraethylenepentamine-Containing Municipal Solid Waste Incineration Bottom Ash-Based Geopolymer for CO2 Capture

本研究的TEPA-GS吸附剂采用一锅合成法，以市政废渣灰和钢渣为原料，利用TEPA同时作为碱激活剂和结构改性剂，在低碱量下实现1.82 mmol/g的CO2吸附容量，超过传统强碱活化材料，其吸附机制为弱化学吸附与物理吸附结合，循环五次后吸附容量损失17.6%。

　　

摘要

胺改性的地质聚合物吸附剂在二氧化碳（CO₂）捕获方面显示出潜力，但仍面临一些挑战，如吸附位点有限以及需要强碱性活化剂。本研究开发了一种新型的一步合成方法，利用少量的NaOH/Na₂SiO₃溶液，从城市固体废物焚烧底灰、粒状高炉矿渣和四乙烯五胺（TEPA）制备含有TEPA的地质聚合物吸附剂（TEPA-GS）。值得注意的是，TEPA不仅通过Si-NH₂键结合到地质聚合物基质中，形成用于CO₂吸附的碱性位点，还在地质聚合物化过程中充当碱性活化剂，从而减少了对传统强碱的依赖。随着TEPA含量的增加（从10%增加到30%），CO₂的吸附能力显著提升，最大吸附量达到了1.82 mmol/g。这一数值超过了通过强碱活化制备的传统地质聚合物的吸附能力，并且与几种通过强碱活化及复杂多步骤合成路线制备的胺改性地质聚合物的吸附能力相当。CO₂-TPD分析证实，TEPA的引入使得吸附机制以氨基作用为主，表现为弱化学吸附，有利于CO₂的可逆捕获，同时系统中仍保留有物理吸附位点。吸附动力学测试表明，吸附过程受到化学吸附和物理吸附的共同控制，其中化学吸附占主导地位。循环吸附-脱附实验显示了良好的重现性，经过五次循环后吸附能力下降了17.6%，第二次循环由于胺的挥发导致吸附能力损失最大。这项工作提供了一种可行的一步合成方法，用于制备对强碱性活化剂依赖性较低的胺改性地质聚合物吸附剂。