本發(fā)明屬于化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種離子水合物型吸附劑，本發(fā)明還涉及該吸附劑的制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

全球變暖是一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題，國(guó)際氣候變化組織(Intergovernmental Panel on Climate Change)指出在本世紀(jì)末，要維持空氣中二氧化碳的濃度在350到440ppm之間。美國(guó)能源研究所(Institute for Energy Research)指出傳統(tǒng)化石燃料的使用仍然占據(jù)總能源使用量的80％到85％。

捕集二氧化碳迫在眉睫。然而，電廠排放的二氧化碳量只有總二氧化碳排放量的二分之一，剩余的二氧化碳由汽車，飛機(jī)和小型設(shè)備排放出。所以空氣捕集二氧化碳技術(shù)是必要的。然而，當(dāng)今空氣捕集二氧化碳的技術(shù)才剛剛開(kāi)始。Baciocchi(Baciocchi,R.,Storti,G.&Mazzotti,M.Process design and energy requirements for the capture of carbon dioxide from air.Chemical Engineering and Processing:Process Intensification 45,1047-1058(2006).)和Keith(Keith,D.W.,Ha-Duong,M.&Stolaroff,J.K.Climate strategy with CO2capture from the air.Climatic Change 74,17-45(2006).)的空氣捕集二氧化碳的技術(shù)使用NaOH去吸收空氣中的二氧化碳能耗太大，679kJ/mol，捕集二氧化碳消耗的能量相當(dāng)于燃燒煤中含有能量的兩倍，而且在再生過(guò)程中需要加熱耗能。K.S.Lackner(Lackner,K.S.Capture of Carbon Dioxide from Ambient Air.Eur.Phys.J.Spec.Top.176,93-106,doi:10.1140/epjst/e2009-01150-3(2009)；Lackner,K.S.et al.The urgency of the development of CO2capture from ambient air.Proceedings of the National Academy of Sciences 109,13156-13162,doi:10.1073/pnas.1108765109(2012).)的離子交換樹(shù)脂會(huì)被碳化，從而降低的吸附材料的吸附性能，而且這個(gè)方法僅僅局限于離子交換樹(shù)脂，材料的可擴(kuò)展性和普適性有所欠缺。離子交換樹(shù)脂屬于微米級(jí)顆粒，這種材料與空氣的接觸面積有限，所以不能夠很高效的吸附二氧化碳。所以，研發(fā)一種吸附劑，再生的時(shí)候不需要消耗熱能，而且要與空氣有大量的接觸面積從而提高材料的吸附效率，這是極其關(guān)鍵的地方。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種離子水合物型吸附劑，解決了現(xiàn)有吸附劑捕集二氧化碳能耗高及效率差的問(wèn)題。

本發(fā)明的另一個(gè)目的提供一種離子水合物型吸附劑的制備方法。

本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種采用上述離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種離子水合物型吸附劑，包括吸附劑載體以及吸附劑載體上附著的酸根離子，其中吸附劑載體為納米空洞材料。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

納米空洞材料為所有具有納米級(jí)空洞的多孔材料。

納米空洞材料為活性炭、石英、沸石、離子交換樹(shù)脂，碳納米管，有機(jī)金屬框架材料其中的一種。

酸根離子為碳酸根、亞硫酸根、硫酸根或磷酸根。

本發(fā)明所采用的第二個(gè)技術(shù)方案是，一種離子水合物型吸附劑的制備方法，將納米空洞材料浸入到酸根堿性鹽離子溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中干燥，得到。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

納米空洞材料為所有具有納米級(jí)空洞的多孔材料。

納米空洞材料為活性炭、石英、沸石、離子交換樹(shù)脂，碳納米管，有機(jī)金屬框架材料其中的一種。

酸根堿性鹽離子溶液為碳酸鈉溶液、亞硫酸鈉溶液、硫酸鈉溶液或磷酸鈉溶液中的一種。

干燥是在常溫常壓下干燥2～2.5h。

本發(fā)明所采用的第三個(gè)技術(shù)方案是，采用離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，將離子水合物型吸附劑裝入小袋中，小袋只允許水分子和氣體分子通過(guò)；

步驟2，將步驟1密封好的吸附劑在空氣中自然晾干2～2.5h，這時(shí)吸附劑已經(jīng)吸附滿二氧化碳處于飽和狀態(tài)；

步驟3，將吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，二氧化碳就會(huì)釋放出來(lái)，集中處理釋放出的二氧化碳，用于儲(chǔ)存；

步驟4，再將步驟3釋放完二氧化碳的吸附劑放入空氣中晾干，同時(shí)吸附空氣中的二氧化碳至飽和；

步驟5，將步驟4吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，又會(huì)釋放出二氧化碳，晾干吸附，如此循環(huán)重復(fù)利用。

本發(fā)明的有益效果是，

本發(fā)明離子水合物型吸附劑，可以利用任何有納米孔洞為基體的材料，來(lái)吸附二氧化碳，該吸附劑僅僅用水的多少就可以驅(qū)動(dòng)整個(gè)吸附釋放過(guò)程，當(dāng)空氣中水量較少的時(shí)候(不下雨的天氣)，可以在空氣中吸附二氧化碳；當(dāng)吸附劑滿負(fù)荷的時(shí)候，將吸附劑放入水中，吸附的二氧化碳就可以釋放出來(lái)，于此可以集中處理二氧化碳。簡(jiǎn)而言之，水少，吸附二氧化碳，水多，釋放二氧化碳。

本發(fā)明吸附劑不需要加熱就可以完成整個(gè)吸附釋放循環(huán)，唯一的驅(qū)動(dòng)力就是水，可以普遍適用于所有的納米空洞材料，具有廣泛適用性；與現(xiàn)有吸附劑相比，大大提高了吸附效率，是現(xiàn)有吸附劑的50倍。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的吸附釋放循環(huán)圖；

圖2是本發(fā)明離子水合物性吸附劑的工作原理圖；

圖3是CO₃^2-+nH₂O＝HCO₃^-+OH^-+(n-1)H₂O這個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式自由能隨水量的變化曲線；

圖4是本發(fā)明離子水合物性吸附劑吸附二氧化碳隨水量變化的曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明離子水合物型吸附劑，包括吸附劑載體以及吸附劑載體上附著的酸根離子，其中吸附劑載體為納米空洞材料。

納米空洞材料為所有具有納米級(jí)空洞的多孔材料，優(yōu)選地，納米空洞材料為活性炭、石英、沸石、離子交換樹(shù)脂，碳納米管，有機(jī)金屬框架材料其中的一種。

酸根離子為碳酸根、亞硫酸根、硫酸根或磷酸根。

上述離子水合物型吸附劑的制備方法，將納米空洞材料浸入到酸根堿性 鹽離子溶液中浸泡至飽和(不同的納米空洞材料可以負(fù)荷不同質(zhì)量的堿性鹽溶液)，然后在空氣中常溫常壓下干燥2～2.5h，得到。

酸根堿性鹽離子溶液為碳酸鈉溶液、亞硫酸鈉溶液、硫酸鈉溶液或磷酸鈉溶液中的一種。

每1摩爾的酸根離子可以吸附1摩爾的二氧化碳。制備吸附劑所使用的酸根堿性鹽離子溶液的量可以根據(jù)吸附二氧化碳總量的要求量身制作。

采用離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，將離子水合物型吸附劑裝入小袋中，小袋只允許水分子和氣體分子通過(guò)；

步驟2，將步驟1密封好的吸附劑在空氣中自然晾干2～2.5h，這時(shí)吸附劑已經(jīng)吸附滿二氧化碳處于飽和狀態(tài)；

步驟3，將吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，二氧化碳就會(huì)釋放出來(lái)，集中處理釋放出的二氧化碳，用于儲(chǔ)存；

步驟4，再將步驟3釋放完二氧化碳的吸附劑放入空氣中晾干，同時(shí)吸附空氣中的二氧化碳至飽和；

步驟5，將步驟4吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，又會(huì)釋放出二氧化碳，晾干吸附，如此循環(huán)重復(fù)利用。

如圖1所示，本發(fā)明離子水合物型吸附劑吸附釋放過(guò)程。Empty-Fresh狀態(tài)時(shí)吸附劑準(zhǔn)備完畢，在空氣中只有少量水分子存在的情況下，Empty-Dry狀態(tài)時(shí)水分子會(huì)分解成質(zhì)子和一個(gè)氫氧根離子，氫氧根離子已經(jīng)可以吸附二氧化碳；Full-Dry狀態(tài)時(shí)說(shuō)明吸附劑已經(jīng)滿負(fù)荷；Empty-Wet狀態(tài)時(shí)將吸附劑放入水中，二氧化碳會(huì)釋放出來(lái)，晾干之后回到Empty-Fresh狀態(tài)可以重 新使用。

本發(fā)明離子水合物性吸附劑的工作原理，如圖2所示，

其中通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)和量子化學(xué)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了這種逆向反常態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而才設(shè)計(jì)出了這種新型的吸附材料。在納米材料的空洞結(jié)構(gòu)下，碳酸根和水的比例可以高達(dá)1：1，導(dǎo)致了這種逆向的化學(xué)反應(yīng)。所以這種化學(xué)反應(yīng)在水環(huán)境下是不存在的。通過(guò)計(jì)算CO₃^2-+nH₂O＝HCO₃^-+OH^-+(n-1)H₂O這個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式自由能隨水的多少的變化，如圖3曲線所示。橫坐標(biāo)是水量的多少，縱坐標(biāo)是自由能變化值。當(dāng)水很少時(shí)，自由能是負(fù)值，上述的化學(xué)反應(yīng)方程式會(huì)向右邊進(jìn)行，從而產(chǎn)生大量的OH^-，氫氧根，來(lái)吸附二氧化碳；當(dāng)水分子多的時(shí)候，自由能成為正值并逐漸穩(wěn)定，說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)就會(huì)向左邊進(jìn)行，從而存在很少的OH^-，不能吸附二氧化碳。因此將納米空洞材料，在含酸根離子的鹽溶液中浸泡之后，空洞中就會(huì)存在酸根，加上空氣中的水和二氧化碳，就會(huì)有上述的逆向化學(xué)反應(yīng)，從而吸附二氧化碳。

圖4展示了吸附劑吸附二氧化碳隨水量變化的曲線圖。橫坐標(biāo)是時(shí)間，左邊的Y軸是二氧化碳濃度，右邊的Y軸是水的濃度。二氧化碳的濃度隨時(shí)間的變化由實(shí)線指出，水的濃度隨時(shí)間的變化由虛線表示。結(jié)果顯示出，當(dāng)空氣中水分子數(shù)較多時(shí)30PPT，二氧化碳在空氣中的濃度很高達(dá)到700PPM；當(dāng)空氣中的水分子數(shù)較少時(shí)，3PPT，吸附劑開(kāi)始吸附二氧化碳從而二氧化碳濃度減低到450PPM。將水濃度調(diào)高重新回到30PPT時(shí)，二氧化碳濃度又增加到700PPM。證明吸附劑釋放出了二氧化碳。如此可以循環(huán)使用。

實(shí)施例1

將活性炭浸入到碳酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2h，得到離子水合物型吸附劑。

實(shí)施例2

將石英浸入到碳酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。

實(shí)施例3

將沸石浸入到亞硫酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.2h，得到離子水合物型吸附劑。

實(shí)施例4

將活性炭浸入到硫酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。

實(shí)施例5

將碳納米管浸入到磷酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。

實(shí)施例6

將石英浸入到亞硫酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。