一种离子水合物型吸附剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于化学技术领域，具体涉及一种离子水合物型吸附剂，本发明还涉及该吸附剂的制备方法和应用。

背景技术：

全球变暖是一个日益严重的问题，国际气候变化组织(Intergovernmental Panel on Climate Change)指出在本世纪末，要维持空气中二氧化碳的浓度在350到440ppm之间。美国能源研究所(Institute for Energy Research)指出传统化石燃料的使用仍然占据总能源使用量的80％到85％。

捕集二氧化碳迫在眉睫。然而，电厂排放的二氧化碳量只有总二氧化碳排放量的二分之一，剩余的二氧化碳由汽车，飞机和小型设备排放出。所以空气捕集二氧化碳技术是必要的。然而，当今空气捕集二氧化碳的技术才刚刚开始。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).)的空气捕集二氧化碳的技术使用NaOH去吸收空气中的二氧化碳能耗太大，679kJ/mol，捕集二氧化碳消耗的能量相当于燃烧煤中含有能量的两倍，而且在再生过程中需要加热耗能。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).)的离子交换树脂会被碳化，从而降低的吸附材料的吸附性能，而且这个方法仅仅局限于离子交换树脂，材料的可扩展性和普适性有所欠缺。离子交换树脂属于微米级颗粒，这种材料与空气的接触面积有限，所以不能够很高效的吸附二氧化碳。所以，研发一种吸附剂，再生的时候不需要消耗热能，而且要与空气有大量的接触面积从而提高材料的吸附效率，这是极其关键的地方。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种离子水合物型吸附剂，解决了现有吸附剂捕集二氧化碳能耗高及效率差的问题。

本发明的另一个目的提供一种离子水合物型吸附剂的制备方法。

本发明的第三个目的是提供一种采用上述离子水合物型吸附剂捕集二氧化碳的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种离子水合物型吸附剂，包括吸附剂载体以及吸附剂载体上附着的酸根离子，其中吸附剂载体为纳米空洞材料。

本发明的特点还在于，

纳米空洞材料为所有具有纳米级空洞的多孔材料。

纳米空洞材料为活性炭、石英、沸石、离子交换树脂，碳纳米管，有机金属框架材料其中的一种。

酸根离子为碳酸根、亚硫酸根、硫酸根或磷酸根。

本发明所采用的第二个技术方案是，一种离子水合物型吸附剂的制备方法，将纳米空洞材料浸入到酸根碱性盐离子溶液中浸泡至饱和，然后在空气中干燥，得到。

本发明的特点还在于，

纳米空洞材料为所有具有纳米级空洞的多孔材料。

纳米空洞材料为活性炭、石英、沸石、离子交换树脂，碳纳米管，有机金属框架材料其中的一种。

酸根碱性盐离子溶液为碳酸钠溶液、亚硫酸钠溶液、硫酸钠溶液或磷酸钠溶液中的一种。

干燥是在常温常压下干燥2～2.5h。

本发明所采用的第三个技术方案是，采用离子水合物型吸附剂捕集二氧化碳的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将离子水合物型吸附剂装入小袋中，小袋只允许水分子和气体分子通过；

步骤2，将步骤1密封好的吸附剂在空气中自然晾干2～2.5h，这时吸附剂已经吸附满二氧化碳处于饱和状态；

步骤3，将吸附满二氧化碳的吸附剂放入水中，二氧化碳就会释放出来，集中处理释放出的二氧化碳，用于储存；

步骤4，再将步骤3释放完二氧化碳的吸附剂放入空气中晾干，同时吸附空气中的二氧化碳至饱和；

步骤5，将步骤4吸附满二氧化碳的吸附剂放入水中，又会释放出二氧化碳，晾干吸附，如此循环重复利用。

本发明的有益效果是，

本发明离子水合物型吸附剂，可以利用任何有纳米孔洞为基体的材料，来吸附二氧化碳，该吸附剂仅仅用水的多少就可以驱动整个吸附释放过程，当空气中水量较少的时候(不下雨的天气)，可以在空气中吸附二氧化碳；当吸附剂满负荷的时候，将吸附剂放入水中，吸附的二氧化碳就可以释放出来，于此可以集中处理二氧化碳。简而言之，水少，吸附二氧化碳，水多，释放二氧化碳。

本发明吸附剂不需要加热就可以完成整个吸附释放循环，唯一的驱动力就是水，可以普遍适用于所有的纳米空洞材料，具有广泛适用性；与现有吸附剂相比，大大提高了吸附效率，是现有吸附剂的50倍。

附图说明

图1是本发明离子水合物型吸附剂捕集二氧化碳的吸附释放循环图；

图2是本发明离子水合物性吸附剂的工作原理图；

图3是CO₃^2-+nH₂O＝HCO₃^-+OH^-+(n-1)H₂O这个化学反应方程式自由能随水量的变化曲线；

图4是本发明离子水合物性吸附剂吸附二氧化碳随水量变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明离子水合物型吸附剂，包括吸附剂载体以及吸附剂载体上附着的酸根离子，其中吸附剂载体为纳米空洞材料。

纳米空洞材料为所有具有纳米级空洞的多孔材料，优选地，纳米空洞材料为活性炭、石英、沸石、离子交换树脂，碳纳米管，有机金属框架材料其中的一种。

酸根离子为碳酸根、亚硫酸根、硫酸根或磷酸根。

上述离子水合物型吸附剂的制备方法，将纳米空洞材料浸入到酸根碱性 盐离子溶液中浸泡至饱和(不同的纳米空洞材料可以负荷不同质量的碱性盐溶液)，然后在空气中常温常压下干燥2～2.5h，得到。

酸根碱性盐离子溶液为碳酸钠溶液、亚硫酸钠溶液、硫酸钠溶液或磷酸钠溶液中的一种。

每1摩尔的酸根离子可以吸附1摩尔的二氧化碳。制备吸附剂所使用的酸根碱性盐离子溶液的量可以根据吸附二氧化碳总量的要求量身制作。

采用离子水合物型吸附剂捕集二氧化碳的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将离子水合物型吸附剂装入小袋中，小袋只允许水分子和气体分子通过；

步骤2，将步骤1密封好的吸附剂在空气中自然晾干2～2.5h，这时吸附剂已经吸附满二氧化碳处于饱和状态；

步骤3，将吸附满二氧化碳的吸附剂放入水中，二氧化碳就会释放出来，集中处理释放出的二氧化碳，用于储存；

步骤4，再将步骤3释放完二氧化碳的吸附剂放入空气中晾干，同时吸附空气中的二氧化碳至饱和；

步骤5，将步骤4吸附满二氧化碳的吸附剂放入水中，又会释放出二氧化碳，晾干吸附，如此循环重复利用。

如图1所示，本发明离子水合物型吸附剂吸附释放过程。Empty-Fresh状态时吸附剂准备完毕，在空气中只有少量水分子存在的情况下，Empty-Dry状态时水分子会分解成质子和一个氢氧根离子，氢氧根离子已经可以吸附二氧化碳；Full-Dry状态时说明吸附剂已经满负荷；Empty-Wet状态时将吸附剂放入水中，二氧化碳会释放出来，晾干之后回到Empty-Fresh状态可以重 新使用。

本发明离子水合物性吸附剂的工作原理，如图2所示，

其中通过分子动力学和量子化学的计算，发现了这种逆向反常态的化学反应，进而才设计出了这种新型的吸附材料。在纳米材料的空洞结构下，碳酸根和水的比例可以高达1：1，导致了这种逆向的化学反应。所以这种化学反应在水环境下是不存在的。通过计算CO₃^2-+nH₂O＝HCO₃^-+OH^-+(n-1)H₂O这个化学反应方程式自由能随水的多少的变化，如图3曲线所示。横坐标是水量的多少，纵坐标是自由能变化值。当水很少时，自由能是负值，上述的化学反应方程式会向右边进行，从而产生大量的OH^-，氢氧根，来吸附二氧化碳；当水分子多的时候，自由能成为正值并逐渐稳定，说明化学反应就会向左边进行，从而存在很少的OH^-，不能吸附二氧化碳。因此将纳米空洞材料，在含酸根离子的盐溶液中浸泡之后，空洞中就会存在酸根，加上空气中的水和二氧化碳，就会有上述的逆向化学反应，从而吸附二氧化碳。

图4展示了吸附剂吸附二氧化碳随水量变化的曲线图。横坐标是时间，左边的Y轴是二氧化碳浓度，右边的Y轴是水的浓度。二氧化碳的浓度随时间的变化由实线指出，水的浓度随时间的变化由虚线表示。结果显示出，当空气中水分子数较多时30PPT，二氧化碳在空气中的浓度很高达到700PPM；当空气中的水分子数较少时，3PPT，吸附剂开始吸附二氧化碳从而二氧化碳浓度减低到450PPM。将水浓度调高重新回到30PPT时，二氧化碳浓度又增加到700PPM。证明吸附剂释放出了二氧化碳。如此可以循环使用。

实施例1

将活性炭浸入到碳酸钠溶液中浸泡至饱和，然后在空气中常温常压下干燥2h，得到离子水合物型吸附剂。

实施例2

将石英浸入到碳酸钠溶液中浸泡至饱和，然后在空气中常温常压下干燥2.5h，得到离子水合物型吸附剂。

实施例3

将沸石浸入到亚硫酸钠溶液中浸泡至饱和，然后在空气中常温常压下干燥2.2h，得到离子水合物型吸附剂。

实施例4

将活性炭浸入到硫酸钠溶液中浸泡至饱和，然后在空气中常温常压下干燥2.5h，得到离子水合物型吸附剂。

实施例5

将碳纳米管浸入到磷酸钠溶液中浸泡至饱和，然后在空气中常温常压下干燥2.5h，得到离子水合物型吸附剂。

实施例6

将石英浸入到亚硫酸钠溶液中浸泡至饱和，然后在空气中常温常压下干燥2.5h，得到离子水合物型吸附剂。