一种Li₄SiO₄高温吸碳材料的液相制备方法

专利名称：一种Li₄SiO₄ 高温吸碳材料的液相制备方法
技术领域：
本发明属于环境材料领域，尤其涉及一种以普通水玻璃为硅源，Li4SiO4高温吸碳材料的液相制备方法。
背景技术：
近年来，随着各国经济的快速发展，工业化进程不断加快，CO2的排放量日益增加。 作为温室气体之一的CO2所引发的环境问题已经成为全球焦点，愈来愈引起世界各国的高度重视。化石燃料的燃烧是CO2的主要排放源，由于高温炉中排放的气体温度较高，对烟气中CO2的分离通常要经过降温等一系列处理，这无疑在产生严重能量损失的同时，也增加了吸收CO2所需的成本。因此急需一种可以在高温下直接吸收CO2的高性能材料，从而减少从高温炉中排放的CO2气体，这对于环境保护及控制全球变暖具有非常重要的意义。正硅酸锂Li4SiO4是一种新型的高温吸碳材料，它可在高温下(550 750°C )直接吸收CO2气体，具有较高的吸收容量，并且在高温下吸收CO2具有可逆性，这为减少高温炉中CO2的排放提供了新的技术途径。目前关于Li4SiO4的制备主要采用以石英SiO2和碳酸锂Li2CO3为原料的固相法。 这种方法虽然操作比较简单，但固相法自身需要反应温度高，反应时间长，而且粉末状原料往往粒度不均，很难混合均匀。这样不仅合成过程能耗高，更重要的是不易得到高纯度产物。

发明内容
本发明的目的在于克服固相法的上述缺点，提供一种以廉价的普通水玻璃为硅源，采用液相法制备Li4SiO4，不仅能够降低合成温度，降低能耗，而且制得的Li4SiO4纯度高，CO2吸收容量大，且制备方法简单，是一种合成成本低廉的Li4SiO4高温吸碳材料的液相制备方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下I)首先取模数为M = I 2. 5的普通水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源， 并用去离子水将锂源配制成饱和水溶液，再配制lmol/L的硫酸溶液；2)在不断搅拌下将稀硫酸溶液逐渐加入到水玻璃溶液中使pH为6. 3 6. 8，得到淡蓝色透明溶胶；3)将溶胶静置老化I天后得到凝胶，采用去离子水或蒸馏水对凝胶进行洗涤、浸泡，直到检测不出硫酸根离子，即得到硅凝胶；4)将硅凝胶置于温控磁力搅拌器上，按照摩尔比Li Si = 4 I的比例量取锂源的饱和水溶液，保持温度50 65°C，在不断搅拌下向硅凝胶中加入锂溶液，反应完毕后继续搅拌8 12min使部分水分蒸发,得到娃酸锂凝胶前躯体；5)将硅酸锂凝胶前躯体置于干燥箱中干燥，然后在电热炉中于650 900°C下烧结4 6h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。本发明以廉价的普通水玻璃为硅源，采用液相法制备Li4SiO4，不仅能够降低合成温度，降低能耗，而且制得的Li4SiO4纯度高，CO2吸收容量大，按本发明的制备方法制成的 Li4SiO4高温吸碳材料经测试，测试结果表明，所得到产物为较高纯度的单斜晶系Li4SiO4, 在CO2气氛下650°C保温20min后对CO2的吸收量可达40% (wt)以上。


图I是本发明在700°C烧结制得的Li4SiO4高温吸碳材料的XRD图；图2是本发明Li4SiO4高温吸碳材料在650°C及CO2气氛下Li4SiO4的热重曲线TG。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。实施例I :I)首先取模数为M = 2. 5的普通水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源，并用去离子水将锂源配制成饱和水溶液，再配制lmol/L的硫酸溶液；2)在不断搅拌下将稀硫酸溶液逐渐加入到水玻璃溶液中使pH为6. 5，得到淡蓝色透明溶胶；3)将溶胶静置老化I天后得到凝胶，采用去离子水或蒸馏水对凝胶进行洗涤、浸泡，直到检测不出硫酸根离子，即得到硅凝胶；4)将硅凝胶置于温控磁力搅拌器上，按照摩尔比Li Si = 4 I的比例量取锂源的饱和水溶液，保持温度55°C，在不断搅拌下向硅凝胶中加入锂溶液，反应完毕后继续搅拌IOmin使部分水分蒸发，得到硅酸锂凝胶前躯体；5)将硅酸锂凝胶前躯体置于干燥箱中干燥，然后在电热炉中于700°C下烧结6h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。由图I可以看出，衍射峰与PDF卡片37-1472吻合，表明本发明制备的Li4SiO4样品结构属于单斜晶系正硅酸锂，并且纯度很高，几乎没有杂相存在。由图2可以看出，Li4SiO4材料在650°C下对CO2具有较强吸附性，15min后吸附基本达到平衡，20min后对CO2的吸收量可达到40% (wt)以上，表明吸收CO2性能良好。经检测，所得材料在650°C下，20min后对CO2的吸收量达到42% (wt)。实施例2 I)首先取模数为M = 2. O的普通水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源，并用去离子水将锂源配制成饱和水溶液，再配制lmol/L的硫酸溶液；2)在不断搅拌下将稀硫酸溶液逐渐加入到水玻璃溶液中使pH为6. 3，得到淡蓝色透明溶胶；3)将溶胶静置老化I天后得到凝胶，采用去离子水或蒸馏水对凝胶进行洗涤、浸泡，直到检测不出硫酸根离子，即得到硅凝胶；4)将硅凝胶置于温控磁力搅拌器上，按照摩尔比Li Si = 4 I的比例量取锂源的饱和水溶液，保持温度60°C，在不断搅拌下向硅凝胶中加入锂溶液，反应完毕后继续搅拌IOmin使部分水分蒸发，得到硅酸锂凝胶前躯体；
5)将硅酸锂凝胶前躯体置于干燥箱中干燥，然后在电热炉中于750°C下烧结5h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。所得材料在650°C下，20min后对CO2的吸收量达到41 % (wt)。实施例3 I)首先取模数为M = I的普通水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源，并用去离子水将将锂源配制成饱和水溶液，再配制lmol/L的硫酸溶液；2)在不断搅拌下将稀硫酸溶液逐渐加入到水玻璃溶液中使pH为6. 8，得到淡蓝色透明溶胶；3)将溶胶静置老化I天后得到凝胶，采用去离子水或蒸馏水对凝胶进行洗涤、浸泡，直到检测不出硫酸根离子，即得到硅凝胶；4)将硅凝胶置于温控磁力搅拌器上，按照摩尔比Li Si = 4 I的比例量取锂源的饱和水溶液，保持温度55°C，在不断搅拌下向硅凝胶中加入锂溶液，反应完毕后继续搅拌Ilmin使部分水分蒸发，得到硅酸锂凝胶前躯体；5)将硅酸锂凝胶前躯体置于干燥箱中干燥，然后在电热炉中于700°C下烧结6h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。所得材料在650°C下，20min后对CO2的吸收量达到43% (wt)。实施例4 I)首先取模数为M= I的普通水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源，并用去离子水将锂源配制成饱和水溶液，再配制lmol/L的硫酸溶液；2)在不断搅拌下将稀硫酸溶液逐渐加入到水玻璃溶液中使pH为6. 5，得到淡蓝色透明溶胶；3)将溶胶静置老化I天后得到凝胶，采用去离子水或蒸馏水对凝胶进行洗涤、浸泡，直到检测不出硫酸根离子，即得到硅凝胶；4)将硅凝胶置于温控磁力搅拌器上，按照摩尔比Li Si = 4 I的比例量取锂源的饱和水溶液，保持温度65°C，在不断搅拌下向硅凝胶中加入锂溶液，反应完毕后继续搅拌Smin使部分水分蒸发，得到硅酸锂凝胶前躯体；5)将硅酸锂凝胶前躯体置于干燥箱中干燥，然后在电热炉中于650°C下烧结5h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。所得材料在650°C下，20min后对CO2的吸收量达到40% (wt)。实施例5 I)首先取模数为M = I. 5的普通水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源，并用去离子水将锂源配制成饱和水溶液，再配制lmol/L的硫酸溶液；2)在不断搅拌下将稀硫酸溶液逐渐加入到水玻璃溶液中使pH为6. 6，得到淡蓝色透明溶胶；3)将溶胶静置老化I天后得到凝胶，采用去离子水或蒸馏水对凝胶进行洗涤、浸泡，直到检测不出硫酸根离子，即得到硅凝胶；4)将硅凝胶置于温控磁力搅拌器上，按照摩尔比Li Si = 4 I的比例量取锂源的饱和水溶液，保持温度50°C，在不断搅拌下向硅凝胶中加入锂溶液，反应完毕后继续搅拌12min使部分水分蒸发，得到硅酸锂凝胶前躯体；
5)将硅酸锂凝胶前躯体置于干燥箱中干燥，然后在电热炉中于900°C下烧结4h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。所得材料在650°C下，20min后对CO2的吸收量达到42% (wt)。
权利要求
1. 一种Li4SiO4高温吸碳材料的液相制备方法，其特征在于1)首先取模数为M= I 2. 5的普通水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源，并用去离子水将锂源配制成饱和水溶液，再配制lmol/L的硫酸溶液；2)在不断搅拌下将稀硫酸溶液逐渐加入到水玻璃溶液中使pH为6.3 6. 8，得到淡蓝色透明溶胶；3)将溶胶静置老化I天后得到凝胶，采用去离子水或蒸馏水对凝胶进行洗涤、浸泡，直到检测不出硫酸根离子，即得到硅凝胶；4)将硅凝胶置于温控磁力搅拌器上，按照摩尔比Li Si = 4 I的比例量取锂源的饱和水溶液，保持温度50 65°C，在不断搅拌下向硅凝胶中加入锂溶液，反应完毕后继续搅拌8 12min使部分水分蒸发，得到硅酸锂凝胶前躯体；5)将硅酸锂凝胶前躯体置于干燥箱中干燥，然后在电热炉中于650 900°C下烧结 4 6h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。
全文摘要
一种Li4SiO4高温吸碳材料的液相制备方法，采用模数为M＝1～2.5的普通工业级水玻璃为硅源，采用LiOH或Li2CO3为锂源。在不断搅拌下将浓度为1mol/L的稀硫酸加入到水玻璃溶液中得淡蓝色透明溶胶，再将溶胶静置老化1d后进行洗涤、浸泡，得到硅凝胶。然后按照摩尔比n(Li)/n(Si)＝4的比例量取锂源水溶液，再在50～65℃恒温搅拌下将锂溶液加入到硅凝胶中，之后继续搅拌片刻。所得硅酸锂前躯体干燥后在电热炉中于650～900℃下烧结4～6h即得到正硅酸锂Li4SiO4材料。测试结果表明，这种方法所得到产物为纯度较高的单斜晶系Li4SiO4，在CO2气氛下650℃保温20min后对CO2的吸收量可达40％(wt)以上。
文档编号C01B33/32GK102583415SQ20121003282
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者刘昌涛, 张超武, 徐彬, 王芬, 肖玲 申请人:陕西科技大学