一種新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明以擔載修飾多孔材料在二氧化碳捕集方面的應用為背景，研究多孔材料的制備和擔載以獲得高性能的多孔炭二氧化碳捕集材料，建立多孔炭擔載法脫除CO2的系統(tǒng)性研究，開發(fā)研制具有高吸附容量、高選擇性、高吸脫附速率的二氧化碳捕集用新型固態(tài)胺吸附材料。具體研究內容包括：載體結構和形貌的定向控制與修飾；PEI在載體孔內壁上的有效負載；表面活性劑的添加對CO2在固態(tài)胺吸附劑內擴散行為的影響研究。
【專利說明】一種新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑【技術領域】
[0001]一種與能源、環(huán)境有關的吸附劑，尤其是一種新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑。
【背景技術】
[0002]我國預計在2020年將取代美國成為總排放量最大的國家之一，同時，環(huán)境問題也將會成為我國快速發(fā)展的瓶頸問題。減排不僅是國家的現(xiàn)實需求，也是涉及到多學科的前沿科學問題。其中，捕集封存技術被認為是控制CO2成為溫室氣體的有效途徑之一。吸收和吸附技術有更強的可操作性；但因吸收法的低傳質效率以及再生時的高能耗，吸附法的吸附容量低、選擇性差等問題，如何協(xié)同上述兩項技術進行原理創(chuàng)新與技術集成是此領域發(fā)展至今已需考慮的前沿科學問題。[0003]針對目前吸收法，吸附法捕集CO2存在的共性技術問題，提出采用適宜結構的載體并以孔內壁成膜的方式擔載PEI，集成PEI的吸收功效與殘余孔道吸附功效；運用表面活性劑來提聞材料的吸附性能，大幅度提聞捕集效率。

【發(fā)明內容】

[0004]本工作以擔載修飾多孔材料在二氧化碳捕集方面的應用為背景，研究多孔材料的制備和擔載以獲得高性能的多孔炭二氧化碳捕集材料，建立多孔炭擔載法脫除CO2的系統(tǒng)性研究，開發(fā)研制具有高吸附容量、高選擇性、高吸脫附速率的二氧化碳捕集用新型固態(tài)胺吸附材料。具體研究內容包括:
I載體結構和形貌的定向控制與修飾 2PEI在載體孔內壁上的有效負載
3表面活性劑的添加對CO2在固態(tài)胺吸附劑內擴散行為的影響研究制備出了表面積800~1000m2/g、孔容3.0-4.0cm3/g、孔徑15~30nm的系列球狀中孔炭載體；采用表面活性劑來提高CO2在孔內的擴散，其對固態(tài)胺吸附劑吸附性能的提高作用超過20% ;集成上述技術最終制備得到了兼具吸收/吸附功效的CO2捕集材料，其中CO2捕集容量達可達到 >4mmol/g,選擇性> 1000 (C02/N2)。
[0005]針對目前吸收法，吸附法捕集CO2存在的共性技術問題，提出采用適宜結構的載體并以孔內壁成膜的方式擔載PEI，控制膜厚進而控制殘余孔道的孔徑成為微孔或小中孔，集成PEI的吸收功效與殘余孔道吸附功效，是本工作較為鮮明的特色之一；
合成了具有球狀形貌的載體材料，球形度好，表面光滑，能夠降低CO2在固態(tài)胺吸附劑固定床中的壓降，降低擴散阻力，有利于固定床的設計并節(jié)約能耗；
首次使用添加表面活性劑的方法來降低二氧化碳在固態(tài)胺吸附劑內的擴散阻力，提高胺的利用率，進而提高材料的二氧化碳的吸附性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1不同預聚合時間下球狀中孔炭粒徑分布曲線圖2不同表面活性劑濃度下球狀中孔炭的粒徑分布曲線 圖3不同攪拌速度下球狀中孔炭的粒徑分布曲線 圖4不同預聚物濃度所制球狀中孔炭的氮氣吸脫附等溫線 圖5不同預聚物濃度所制球狀中孔炭的BJH孔徑分布圖 圖6不同粒徑二氧化硅溶膠所制球狀中孔炭的氮氣吸脫附等溫線 圖7不同粒徑二氧化硅溶膠所制球狀中孔炭的BJH孔徑分布圖 圖8固定床CO2吸附-脫附系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0007]本技術發(fā)明了吸附法與吸收法集成開發(fā)固態(tài)胺二氧化碳吸附捕集材料，發(fā)明了通過合成球狀中孔炭載體材料以減小固定床反應器的壓降和降低能耗的方法，發(fā)明了表面活性劑添加以提高固態(tài)胺吸附材料二氧化碳捕集性能。
[0008]具體研究內容如下:
1.載體結構和形貌的定向控制與修飾
采用溶膠-反相乳液聚合-凝膠法，以間苯二酚、甲醛為預聚體，二氧化硅溶膠為模板齊?，制備球狀雜化凝膠，再經蒸發(fā)干燥、高溫裂解和氫氟酸刻蝕得到球狀中孔炭。利用透射電鏡和低溫氮氣吸附等手段對上述凝膠的結構進行表征。
[0009]對成球的工藝條件 進行仔細的研究，考察了分散劑的種類、表面活性劑種類和濃度、反應物組成、預聚合時間和攪拌速率對球狀中孔炭粒徑和微結構的影響。
[0010]2.在載體孔內壁上的有效負載
浸潰法PEI負載條件的優(yōu)化，PEI膜厚的控制及殘余孔道的孔徑控制
PEI膜與炭氣凝膠孔內壁結合狀態(tài)分析，PEI膜存在形貌特征及影響因素分析
殘余模板劑對PEI膜舒展狀態(tài)及界面積影響機制，PEI膜界面積最大化原則
3.材料結構，PEI膜厚及形貌、殘余孔徑大小的綜合匹配原則
各種條件(濃度、溫度、濕度、競爭氣氛等)下，材料對CO2的吸附/吸附耦合捕集性能，包括容量、選擇性、速度等，結構與性能的相關性歸納
CO2在殘余孔道中的吸附及傳輸動力學行為，被吸附的CO2分子在PEI膜中的擴散吸收動力學行為
吸附、吸收分別對材料綜合捕集性能(容量/速率/選擇性等)的貢獻權重分析 吸附、吸收兩個過程的動力學匹配原則、性能耦合機制的闡明
4.表面活性劑的添加對CO2在固態(tài)胺吸附劑內擴散行為的影響研究，
當PEI和Span80的添加量分別為55wt%和15wt%時，效果最佳，可提高41%，胺基利用率高達70wt%，是已報導的負載有PEI的吸附劑的胺基利用率最高值。然而，繼續(xù)增加Span80的含量不能進一步提高胺基的利用率。這可能是因為，PEI和Span80分子之間相互作用可能會消耗部分用來吸附CO2的胺基。
【權利要求】
1.本發(fā)明是一種新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑，其特征在于，集成了吸附法和吸收法對CO2的捕集功效，開展兼具高容量，高選擇性、高速率及低再生能耗的CO2捕集材料研究。
2.根據權利要求1所述的新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑，其特征是，針對目前吸收法，吸附法捕集CO2存在的共性技術問題，提出采用適宜結構的載體并以孔內壁成膜的方式擔載PEI，控制膜厚進而控制殘余孔道的孔徑成為微孔或小中孔，集成PEI的吸收功效與殘余孔道吸附功效，是本工作較為鮮明的特色之一； 根據權利要求1所述的新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑，其特征是，合成了具有球狀形貌的載體材料，球形度好，表面光滑，能夠降低CO2在固態(tài)胺吸附劑固定床中的壓降，降低擴散阻力，有利于固定床的設計并節(jié)約能耗； 根據權利要求1所述的新型固態(tài)胺二氧化碳吸附劑，其特征是，首次使用添加表面活性劑的方法來降低二氧化碳在固態(tài)胺吸附劑內的擴散阻力，提高胺的利用率，進而提高材料的二氧化碳的吸附性能。
【文檔編號】B01J20/20GK103861557SQ201210531375
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月11日 優(yōu)先權日:2012年12月11日
【發(fā)明者】汪建華 申請人:新昌縣冠陽技術開發(fā)有限公司