一种新型固态胺二氧化碳吸附剂的制作方法
【专利摘要】本发明以担载修饰多孔材料在二氧化碳捕集方面的应用为背景，研究多孔材料的制备和担载以获得高性能的多孔炭二氧化碳捕集材料，建立多孔炭担载法脱除CO2的系统性研究，开发研制具有高吸附容量、高选择性、高吸脱附速率的二氧化碳捕集用新型固态胺吸附材料。具体研究内容包括：载体结构和形貌的定向控制与修饰；PEI在载体孔内壁上的有效负载；表面活性剂的添加对CO2在固态胺吸附剂内扩散行为的影响研究。
【专利说明】一种新型固态胺二氧化碳吸附剂【技术领域】
[0001]一种与能源、环境有关的吸附剂，尤其是一种新型固态胺二氧化碳吸附剂。
【背景技术】
[0002]我国预计在2020年将取代美国成为总排放量最大的国家之一，同时，环境问题也将会成为我国快速发展的瓶颈问题。减排不仅是国家的现实需求，也是涉及到多学科的前沿科学问题。其中，捕集封存技术被认为是控制CO2成为温室气体的有效途径之一。吸收和吸附技术有更强的可操作性；但因吸收法的低传质效率以及再生时的高能耗，吸附法的吸附容量低、选择性差等问题，如何协同上述两项技术进行原理创新与技术集成是此领域发展至今已需考虑的前沿科学问题。[0003]针对目前吸收法，吸附法捕集CO2存在的共性技术问题，提出采用适宜结构的载体并以孔内壁成膜的方式担载PEI，集成PEI的吸收功效与残余孔道吸附功效；运用表面活性剂来提闻材料的吸附性能，大幅度提闻捕集效率。
【发明内容】
[0004]本工作以担载修饰多孔材料在二氧化碳捕集方面的应用为背景，研究多孔材料的制备和担载以获得高性能的多孔炭二氧化碳捕集材料，建立多孔炭担载法脱除CO2的系统性研究，开发研制具有高吸附容量、高选择性、高吸脱附速率的二氧化碳捕集用新型固态胺吸附材料。具体研究内容包括:
I载体结构和形貌的定向控制与修饰 2PEI在载体孔内壁上的有效负载
3表面活性剂的添加对CO2在固态胺吸附剂内扩散行为的影响研究制备出了表面积800~1000m2/g、孔容3.0-4.0cm3/g、孔径15~30nm的系列球状中孔炭载体；采用表面活性剂来提高CO2在孔内的扩散，其对固态胺吸附剂吸附性能的提高作用超过20% ;集成上述技术最终制备得到了兼具吸收/吸附功效的CO2捕集材料，其中CO2捕集容量达可达到 >4mmol/g,选择性> 1000 (C02/N2)。
[0005]针对目前吸收法，吸附法捕集CO2存在的共性技术问题，提出采用适宜结构的载体并以孔内壁成膜的方式担载PEI，控制膜厚进而控制残余孔道的孔径成为微孔或小中孔，集成PEI的吸收功效与残余孔道吸附功效，是本工作较为鲜明的特色之一；
合成了具有球状形貌的载体材料，球形度好，表面光滑，能够降低CO2在固态胺吸附剂固定床中的压降，降低扩散阻力，有利于固定床的设计并节约能耗；
首次使用添加表面活性剂的方法来降低二氧化碳在固态胺吸附剂内的扩散阻力，提高胺的利用率，进而提高材料的二氧化碳的吸附性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1不同预聚合时间下球状中孔炭粒径分布曲线图2不同表面活性剂浓度下球状中孔炭的粒径分布曲线 图3不同搅拌速度下球状中孔炭的粒径分布曲线 图4不同预聚物浓度所制球状中孔炭的氮气吸脱附等温线 图5不同预聚物浓度所制球状中孔炭的BJH孔径分布图 图6不同粒径二氧化硅溶胶所制球状中孔炭的氮气吸脱附等温线 图7不同粒径二氧化硅溶胶所制球状中孔炭的BJH孔径分布图 图8固定床CO2吸附-脱附系统。
【具体实施方式】
[0007]本技术发明了吸附法与吸收法集成开发固态胺二氧化碳吸附捕集材料，发明了通过合成球状中孔炭载体材料以减小固定床反应器的压降和降低能耗的方法，发明了表面活性剂添加以提高固态胺吸附材料二氧化碳捕集性能。
[0008]具体研究内容如下:
1.载体结构和形貌的定向控制与修饰
采用溶胶-反相乳液聚合-凝胶法，以间苯二酚、甲醛为预聚体，二氧化硅溶胶为模板齐?，制备球状杂化凝胶，再经蒸发干燥、高温裂解和氢氟酸刻蚀得到球状中孔炭。利用透射电镜和低温氮气吸附等手段对上述凝胶的结构进行表征。
[0009]对成球的工艺条件 进行仔细的研究，考察了分散剂的种类、表面活性剂种类和浓度、反应物组成、预聚合时间和搅拌速率对球状中孔炭粒径和微结构的影响。
[0010]2.在载体孔内壁上的有效负载
浸溃法PEI负载条件的优化，PEI膜厚的控制及残余孔道的孔径控制
PEI膜与炭气凝胶孔内壁结合状态分析，PEI膜存在形貌特征及影响因素分析
残余模板剂对PEI膜舒展状态及界面积影响机制，PEI膜界面积最大化原则
3.材料结构，PEI膜厚及形貌、残余孔径大小的综合匹配原则
各种条件(浓度、温度、湿度、竞争气氛等)下，材料对CO2的吸附/吸附耦合捕集性能，包括容量、选择性、速度等，结构与性能的相关性归纳
CO2在残余孔道中的吸附及传输动力学行为，被吸附的CO2分子在PEI膜中的扩散吸收动力学行为
吸附、吸收分别对材料综合捕集性能(容量/速率/选择性等)的贡献权重分析 吸附、吸收两个过程的动力学匹配原则、性能耦合机制的阐明
4.表面活性剂的添加对CO2在固态胺吸附剂内扩散行为的影响研究，
当PEI和Span80的添加量分别为55wt%和15wt%时，效果最佳，可提高41%，胺基利用率高达70wt%，是已报导的负载有PEI的吸附剂的胺基利用率最高值。然而，继续增加Span80的含量不能进一步提高胺基的利用率。这可能是因为，PEI和Span80分子之间相互作用可能会消耗部分用来吸附CO2的胺基。
【权利要求】
1.本发明是一种新型固态胺二氧化碳吸附剂，其特征在于，集成了吸附法和吸收法对CO2的捕集功效，开展兼具高容量，高选择性、高速率及低再生能耗的CO2捕集材料研究。
2.根据权利要求1所述的新型固态胺二氧化碳吸附剂，其特征是，针对目前吸收法，吸附法捕集CO2存在的共性技术问题，提出采用适宜结构的载体并以孔内壁成膜的方式担载PEI，控制膜厚进而控制残余孔道的孔径成为微孔或小中孔，集成PEI的吸收功效与残余孔道吸附功效，是本工作较为鲜明的特色之一； 根据权利要求1所述的新型固态胺二氧化碳吸附剂，其特征是，合成了具有球状形貌的载体材料，球形度好，表面光滑，能够降低CO2在固态胺吸附剂固定床中的压降，降低扩散阻力，有利于固定床的设计并节约能耗； 根据权利要求1所述的新型固态胺二氧化碳吸附剂，其特征是，首次使用添加表面活性剂的方法来降低二氧化碳在固态胺吸附剂内的扩散阻力，提高胺的利用率，进而提高材料的二氧化碳的吸附性能。
【文档编号】B01J20/20GK103861557SQ201210531375
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2012年12月11日
【发明者】汪建华 申请人:新昌县冠阳技术开发有限公司