一种高活性二氧化碳捕集剂及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高活性二氧化碳捕集剂及其制备方法，所述高活性二氧化碳捕集剂包括下述原料：催化剂、碳酸钾和水；所述催化剂包括：氢氧化钾、含五价钒离子的化合物和含硼元素的化合物。本发明的有益效果为：本发明所述捕集剂中含有的五价钒离子V2O74?促进所述捕集剂对二氧化碳的吸收，但V2O74?的存在需要溶液保持稳定的pH值，而碳酸钾吸收二氧化碳的过程，pH会随着变化，而捕集剂含有的硼酸或硼酸盐对捕集剂的pH起到缓冲的作用，使捕集剂的pH稳定在9?12之间，此pH范围有利于V2O74?的存在，保证了所述高活性二氧化碳捕集剂对二氧化碳一直具有很高的捕集效率。
【专利说明】
一种高活性二氧化碳捕集剂及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种高活性二氧化碳捕集剂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着世界工业化步伐的加快，全球变暖问题愈演愈烈，由此引发的极端气候现象渐成常态化，且已严重威胁到了人类的生存与发展，控制温室气体排放量(尤其是二氧化碳的排放量)，发展低碳经济成为国际社会公认的全球问题和共识。我国是一个发展中国家，在谋求经济发展的同时，也势必伴随着二氧化碳减排的压力与困惑，在2015年11月30日至12月11日巴黎举办的联合国气候变化框架公约，第二十一次缔约方大会暨《京都议定书》第i^一次缔约方大会(简称气候变化巴黎大会)上，中国政府承诺在2030年中国二氧化碳排放将达到峰值，除了政策层面的手段限制发展高耗能高排放企业发展之外，对于一些传统领域如热电厂、石油开采、天然气、石油化工、化肥以及冶金等国民经济支柱产业还应依赖于科技进步实现二氧化碳的捕集和减排。
[0003]目前，工业上通常经过一乙醇胺(MEA)和含有一定硼酸盐组成的碳酸钾溶液来捕集二氧化碳，但一乙醇胺在捕集工业排放气中的二氧化碳时，存在一系列的问题:如捕集效率比较低、吸收剂比较容易降解且损耗比较高，还存在污染排放的问题，捕集的二氧化碳的纯度比较低，运行成本较高。硼酸盐组成的碳酸钾溶液在捕集二氧化碳时也存在一系列的问题:如捕集效率比较低，吸收后溶液的再生效果不理想，溶液组成易发生变化，运行成本比车父尚等。
[0004]中国专利CN103920391 A公开了一种二氧化碳捕集剂及其制备方法，该二氧化碳捕集剂按质量百分比由一下组分组成，微藻32-38%，胶体剂0.7-1.3%，吸水剂0.5-1 %，酵母糖5-6%，纯水54-61%。该发明虽介绍了二氧化碳捕集剂中含有的组分及其制备方法和应用，但对二氧化碳捕集剂的捕集能力没做介绍。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种适用领域广泛、捕集效率高且吸收剂不易降解的一种高活性二氧化碳捕集剂及其制备方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0007]—种高活性二氧化碳捕集剂，包括下述重量份的原料:碳酸钾7.8-23.9份，催化剂9.3-11.3 份，脱盐水 64.8-82.9 份；
[0008]所述催化剂包括下述重量配比的原料:氢氧化钾24.1-25.0份、含五价钒离子的化合物30.0-35.0份、含硼元素的化合物16.0-19.0份和脱盐水21.0-29.9份。
[0009]进一步地，所述的高活性二氧化碳捕集剂，包括下述重量份的原料:催化剂9.3份、碳酸钾7.8份和脱盐水82.9份；
[0010]所述催化剂包括下述重量配比的原料:氢氧化钾24.1份、含五价钒离子的化合物30.0份、含硼元素的化合物16.0份和脱盐水29.9份。
[0011 ]进一步地，所述含五价钒离子的化合物为:五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾的混合物;所述含硼元素的化合物为硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾的混合物。
[0012]所述高活性二氧化碳捕集剂的制备方法，包括以下步骤:
[0013](I)在搅拌的条件下往温水中加入氢氧化钾，待氢氧化钾溶解完后，再加入含五价钒离子的化合物和含硼元素的化合物，搅拌混合均匀得所述的催化剂;五价钒离子及含硼元素的化合物在捕集二氧化碳和解吸二氧化碳的化学反应过程中主要起到催化剂的作用。在这里所用的水为脱盐水。
[0014]溶液中的五价钒离子主要作用是其对二氧化碳的辅助抓捕作用，使二氧化碳能够溶解到捕集剂溶液中并与有效组分碳酸钾进行化学反应生成碳酸氢钾，如果没有五价钒盐对二氧化碳的抓捕作用，与碳酸钾进行化学反应的二氧化碳分子将减少，二氧化碳的整体捕集效率也就很低。五价钒离子在溶液中是以酸根形式对二氧化碳进行抓捕，但由于五价钒离子具有多种形态V043—、V2074—和V40124—，而其中对二氧化碳抓捕作用最大的为V2074—，ν2074—的浓度决定了二氧化碳的捕集效率。因此该发明的关键是除了保证二氧化碳捕集剂中的有效组分碳酸钾浓度外，还要控制二氧化碳捕集剂中的ν2074—，这取决于偏钒酸盐的纯度和配方加入量，同时也取决于溶液的PH值，二氧化碳吸收过程也是溶液pH值发生变化的过程，稳定的PH值对保持较高的V2074—浓度至关重要，而本发明通过向溶液中加入含硼元素的化合物实现了这一目的。在二氧化碳与碳酸钾反应生成碳酸氢钾的过程中，由于强碱性物质碳酸钾K2CO3和碱性稍差的物质碳酸氢钾KHCO3浓度会随着反应的进行而发生变化，溶液的PH值也是变化的，而硼酸或硼酸盐对溶液的PH值具有缓冲调节作用，可以使捕集剂溶液的pH值稳定在9?12，这样有利于保持溶液中具有较高浓度的V2074—，即有利于捕集二氧化碳。
[0015]此外，五价钒盐的三种形态V043—、V2074—和V40124—是可以相互转换的，这个转化过程取决于pH值的变化，pH值越低，V043—的浓度越高，pH值越高，V40124—浓度越高，而通常情况下在pH值为9?12之间时，￥2074—的浓度要高于￥043—和￥40124—，而较高浓度的￥2074—正是抓捕二氧化碳分子所需要的。因此五价钒盐和偏硼酸盐的加入以及经过优化后的配方保证了二者较好的催化作用，进而使高活性二氧化碳捕集剂具有较高的捕集效率。
[0016](2)往温水中加入碳酸钾并混合搅拌溶解均匀，然后加入催化剂得所述的高活性二氧化碳捕集剂。
[0017]该高活性二氧化碳捕集剂的机理为:
[0018]吸收过程:2K0H+C02—K2C03+H20①
[0019]K2CO3+CO2+H2O42KHCO3②
[0020]解吸过程:2KHC03—K2C03+C02+H20③
[0021]其中②式和③式是一个可逆的过程，也是在二氧化碳捕集过程中主要的化学反应，①式是二氧化碳捕集剂其中的氢氧化钾成分在吸收二氧化碳时发生的化学反应，该反应只发生在新鲜的高活性二氧化碳捕集剂初次捕集时，一旦发生捕集二氧化碳的化学反应，将不再以氢氧化钾的形式存在在捕集剂中，以后对二氧化碳起到捕集作用的主要成分为碳酸-K2CO3t3
[0022]进一步地，步骤(I)中所述水的温度为35-45°C，所述搅拌的搅拌速度为80-100r/min，揽摔时间为15_25min。
[0023]进一步地，步骤(2)中，所述温水的温度为35-45°C，所述搅拌的速度为80-100r/min，搅拌时间为10_20min。
[0024]本发明的有益效果为:本发明所述高活性二氧化碳捕集剂包含催化剂、碳酸钾和水，催化剂中含五价钒离子的化合物和含硼元素的化合物，因含五价钒离子的化合物V2O74 一是可以促进高活性二氧化碳捕集剂对二氧化碳的吸收，但V2074—的存在需要溶液保持稳定的PH值，而碳酸钾吸收二氧化碳的过程，捕集剂溶液的pH会随着变化，而催化剂中含有的含硼元素化合物，硼酸或硼酸盐可以对捕集剂的PH起到缓冲的作用，使捕集剂的pH稳定在9-12之间，而此pH范围有利于V2O74的存在，这保证了所述高活性二氧化碳捕集剂对二氧化碳一直具有很高的捕集效率。
[0025]即本发明所述高活性二氧化碳捕集剂中碳酸钾是吸收二氧化碳的关键元素，而碳酸钾吸收二氧化碳转化为碳酸氢钾，碳酸氢钾释放二氧化碳再转化为碳酸钾，这是一个可逆的过程，而V2074—的存在提高了碳酸钾对二氧化碳的吸收能力，即促进了碳酸钾对二氧化碳的吸收，而硼酸或硼酸盐的存在，保证了所述高活性二氧化碳捕集剂中含有较高浓度为V2074—，即本发明所述高活性二氧化碳捕集剂中的各成分结合在一起，使所述的高活性二氧化碳捕集剂具有很高的捕集二氧化碳的能力，且这个过程是可逆的。
[0026]此外，本发明所述高活性二氧化碳捕集剂适用领域广泛，可于热电厂、冶金锅炉、化肥行业、天然气脱碳、环氧乙烷生产、锅炉烟气等领域的二氧化碳捕集，捕集的二氧化碳纯度高，很容易提纯至食品级，且具有吸收剂不易降解、损耗低、无氨气排放、再生容易、低毒性、节能、运行成本低等优点。
【具体实施方式】
[0027]实施例一
[0028]一种高活性二氧化碳捕集剂，包括下述重量份的原料:催化剂9.3g、碳酸钾7.Sg和脱盐水64.8g;
[0029]所述催化剂包括下述重量配比的原料:氢氧化钾24.lg、五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾等质量的混合物30g、硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾等质量的混合物16g。
[0030]所述高活性二氧化碳捕集剂的制备方法，包括以下步骤:
[0031](I)在搅拌速度为80r/min的条件下往温度为35°C的脱盐水中加入氢氧化钾、待氢氧化钾溶解完后，再加入五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾等质量的混合物和硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾等质量的混合物，搅拌25min混合均匀得所述的催化剂；
[0032](2)往45°C的脱盐水中加入碳酸钾，并在搅拌速度为80r/min的条件下搅拌溶解，然后加入催化剂，搅拌1min混合均匀得所述的高活性二氧化碳捕集剂。
[0033]实施例二
[0034]一种高活性二氧化碳捕集剂，包括下述重量份的原料:催化剂9.3g、碳酸钾7.Sg和水82.9g;
[0035]所述催化剂包括下述重量配比的原料:氢氧化钾24.lg、五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾等质量的混合物30g、硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾等质量的混合物16g。
[0036]所述高活性二氧化碳捕集剂的制备方法，包括以下步骤:
[0037](I)在搅拌速度为lOOr/min的条件下往温度为40°C的水中加入氢氧化钾、待氢氧化钾溶解完后，再加入五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾等质量的混合物和硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾等质量的混合物，搅拌20min混合均匀得所述的催化剂；
[0038](2)往45°C的脱盐水中加入氢氧化钾，并在搅拌速度为40r/min的条件下搅拌溶解，然后加入催化剂，搅拌15min混合均匀得所述的高活性二氧化碳捕集剂。
[0039]实施例三
[0040]一种高活性二氧化碳捕集剂，包括下述重量份的原料:催化剂11.3g、碳酸钾23.9g和水82.9g;
[0041]所述催化剂包括下述重量配比的原料:氢氧化钾25g、五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾等质量的混合物34g、硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾等质量的混合物18.5g。
[0042]所述高活性二氧化碳捕集剂的制备方法，包括以下步骤:
[0043](I)在搅拌速度为80r/min的条件下往温度为45 °C的水中加入氢氧化钾、待氢氧化钾溶解完后，再加入五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾等质量的混合物和硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾等质量的混合物，搅拌15min混合均匀得所述的催化剂；
[0044](2)往40°C的脱盐水中加入氢氧化钾和碳酸钾等质量的混合物，并在搅拌速度为80r/min的条件下搅拌溶解，然后加入催化剂，搅拌20min混合均匀得所述的高活性二氧化碳捕集剂。
[0045]本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其细节上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高活性二氧化碳捕集剂，其特征在于，包括下述重量份的原料:碳酸钾7.8-23.9份，催化剂9.3-11.3份，脱盐水64.8-82.9份； 所述催化剂包括下述重量配比的原料:氢氧化钾24.1-25.0份、含五价钒离子的化合物30.0-35.0份、含硼元素的化合物16.0-19.0份和脱盐水21.0-29.9份。2.根据权利要求1所述高活性二氧化碳捕集剂，其特征在于，包括下述重量份的原料:催化剂9.3份、碳酸钾7.8份和脱盐水82.9份； 所述催化剂包括下述重量配比的原料:氢氧化钾24.1份、含五价钒离子的化合物30.0份、含硼元素的化合物16.0份和脱盐水29.9份。3.根据权利要求1所述高活性二氧化碳捕集剂，其特征在于，所述含五价钒离子的化合物为:五氧化二钒、偏钒酸钾和钒酸钾的混合物;所述含硼元素的化合物为硼酸、偏硼酸钾和硼酸钾的混合物。4.权利要求1-3之一所述高活性二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在搅拌的条件下往温水中加入氢氧化钾，待氢氧化钾溶解完后，再加入含五价钒离子的化合物和含硼元素的化合物，搅拌混合均匀得所述的催化剂； (2)往温水中加入碳酸钾并混合搅拌溶解均匀，然后加入催化剂得所述的高活性二氧化碳捕集剂。5.根据权利要求4所述高活性二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，步骤(I)中所述温水的温度为35-45°C，所述搅拌的搅拌速度为80-100r/min，搅拌时间为15-25min。6.根据权利要求4所述高活性二氧化碳捕集剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述温水的温度为35-45°C，所述搅拌的速度为80-100r/min，搅拌时间为10-20min。
【文档编号】B01D53/86GK106039987SQ201610365313
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】侯维, 张卫东, 侯乃萌, 张丁凡
【申请人】侯维, 张卫东, 侯乃萌, 张丁凡