专利名称：一种基于碳纳米管的CO<sub>2</sub>吸附剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及吸附剂制备方法领域，尤其涉及一种基于碳纳米管的CO2吸附剂及其制备方法。
背景技术：
CO2作为主要的温室气体，其大量排放导致的全球气候上升已经引起很大关注。大气中的CO2含量已经从工业革命前的300ppm上升到400ppm。此外，严格控制室内(特别是密闭空间，如宇宙飞船、太空舱、潜艇等)中由人体新陈代谢、机械运作等产生的CO2浓度至关重要。因此，CO2的捕集历年来都是研究的重点。与吸收法和膜分离法等方法相比，吸附法具有能耗低、适应性强、使用周期长、无腐蚀等优点，被认为是较有应用前景的二氧化碳捕集方法。在多孔基底上引入有机胺作为CO2吸附剂是个很有希望的方法，这种方法获得的吸附剂吸附量高，选择性强。氨基化合物修饰多孔材料通常由浸溃法和化学嫁接法制得。浸溃法制备的吸附剂存在热稳定性低、堵塞孔道以及分散性差等问题。而嫁接法制备的吸附剂则能很好的避免这些问题。此外，对于碳材料，化学嫁接法首先需要通过氧化等方法在多孔材料表面引入含氧官能团，传统的方法是使用强酸氧化剂来酸化多孔材料，制备工艺复杂、效率低、且需要消耗大量的酸和水。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于碳纳米管的CO2吸附剂及其制备方法。基于碳纳米管的CO2吸附剂是用气相氧化方法对碳纳米管进行表面氧化，然后将有机胺嫁接到氧化的碳纳米管表面制备而成。所述的碳纳米管为介孔性材料，孔径范围为8 50 nm。所述的气相氧化为用O2与N2的按任意比例混合的氧化性气体氧化。所述的有机胺为3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-[3- (二甲氧基娃烧)丙基]乙二胺或N-[3_ (二甲氧基娃烧)丙基]二乙烯二胺。基于碳纳米管的CO2吸附剂的制备方法的步骤如下:
(1)将碳纳米管加入到石英反应器内，通O2与N2的混合气体，在300 500°C的条件下加热I 3小时，结束后在N2氛围中冷却到室温，即可得到表面氧化的碳纳米管；
(2)取有机胺:甲苯的体积比为I 10:100的混合溶液，将所述氧化的碳纳米管分散于混合溶液中，在100 110°C的条件、氩气氛围中回流反应I 24小时，反应结束后冷却至室温，过滤洗涤并置于80 100°C、通风环境下干燥I 4小时，即可得到基于碳纳米管的CO2吸附剂。所述的混合气体中O2的体积含量为I 10%。本发明与现有技术相比，具有的有益效果:
(I)制备过程简单易行:气相氧化法氧化碳纳米管操作步骤简单，方便快捷，产率高，且对环境友好；
(2)提高了碳纳米管对CO2的吸附能力，且吸附能力优于经酸处理氧化制备的碳纳米管CO2吸附剂；
(3)疏水性能良好，水分的存在不会对CO2吸附过程产生负面影响，避免了CO2吸附过程除水工序，从而在一定程度上减轻了装置的体积、节约了成本。
图1是实施例3制备的表面氧化的碳纳米管的扫描电镜照片；
图2是实施例3制备的有机胺嫁接的碳纳米管CO2吸附剂的扫描电镜照片；
图3是制备的基于碳纳米管吸附剂对低浓度及高浓度CO2的吸附穿透曲线。
具体实施例方式基于碳纳米管的CO2吸附剂是用气相氧化方法对碳纳米管进行表面氧化，然后将有机胺嫁接到氧化的碳纳米管表面制备而成。为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例；也不应视为对本发明的限制。实施例1
(1)将孔径为20-30nm的碳纳米管加入到石英反应器内，通O2体积含量为1%的O2与N2的混合气体，在300°C的条件下加热I小时，结束后在N2氛围中冷却到室温，即可得到表面氧化的碳纳米管；
(2)取3-氨丙基三乙氧基硅烷:甲苯的体积比为1:100的混合溶液，将所述氧化的碳纳米管分散于混合溶液中，在100°C的条件、氩气氛围中回流反应I小时，反应结束后冷却至室温，过滤洗涤并置于80°C、通风环境下干燥I小时，即可得到基于碳纳米管的CO2吸附剂。实施例2
(1)将孔径为30-50nm的碳纳米管加入到石英反应器内，通O2体积含量为10%的O2与N2的混合气体，在500°C的条件下加热3小时，结束后在N2氛围中冷却到室温，即可得到表面氧化的碳纳米管；
(2)取N-[3-(三甲氧基硅烷)丙基]二乙烯三胺:甲苯的体积比为10:100的混合溶液，将所述氧化的碳纳米管分散于混合溶液中，在110°C的条件、氩气氛围中回流反应24小时，反应结束后冷却至室温，过滤洗涤并置于100°C、通风环境下干燥4小时，即可得到基于碳纳米管的CO2吸附剂。实施例3
(1)将孔径为8-15nm的碳纳米管加入到石英反应器内，通O2体积含量为5%的O2与N2的混合气体，在500°C的条件下加热3小时，结束后在N2氛围中冷却到室温，即可得到表面氧化的碳纳米管；
(2)取N-[3-(三甲氧基硅烷)丙基]乙二胺:甲苯的体积比为5:95的混合溶液，将所述氧化的碳纳米管分散于混合溶液中，在110°C的条件、氩气氛围中回流反应24小时，反应结束后冷却至室温，过滤洗涤并置于80°C、通风环境下干燥4小时，即可得到基于碳纳米管的CO2吸附剂。
应用例
从图1的表面氧化的碳纳米管的扫描电镜照片可以看出，气相氧化处理可打开碳纳米管末端、切断碳纳米管。这样有助于有机胺在碳纳米管表面嫁接。从图2的有机胺嫁接的碳纳米管CO2吸附剂的扫描电镜照片可以看出，气相氧化处理有助于有机胺均匀分布在碳纳米管表面，没有团聚现象出现。这样有利于CO2的传输和吸附。将Ig实施例3制备的基于碳纳米管的CO2吸附剂填入吸附柱，并放入柱温箱。通入CO2与N2的混合气体(CO2的体积浓度分别为2%和15%)，通过气相色谱在线检测吸附柱出口的CO2浓度，得到制备的吸附剂可有效捕集C02。
权利要求
1.一种基于碳纳米管的CO2吸附剂，其特征在于，它是用气相氧化方法对碳纳米管进行表面氧化，然后将有机胺嫁接到氧化的碳纳米管表面制备而成。
2.如权利要求1所述的基于碳纳米管的CO2吸附剂，其特征在于，所述的碳纳米管为介孔性材料，孔径范围为8 50 nm。
3.如权利要求1所述的基于碳纳米管的CO2吸附剂，其特征在于，所述的气相氧化为用O2与N2的按任意比例混合的氧化性气体氧化。
4.如权利要求1所述的基于碳纳米管的CO2吸附剂，其特征在于，所述的有机胺为3-氨丙基二乙氧基娃烧、N-[3_ (二甲氧基娃烧)丙基]乙二胺或N-[3_ (二甲氧基娃烧)丙基]二乙烯二胺。
5.一种如权利要求1所述基于碳纳米管的CO2吸附剂的制备方法，其特征在于，它的步骤如下: (1)将碳纳米管加入到石英反应器内，通O2与N2的混合气体，在300 500°C的条件下加热I 3小时，结束后在N2氛围中冷却到室温，即可得到表面氧化的碳纳米管； (2)取有机胺:甲苯的体积比为I 10:100的混合溶液，将所述氧化的碳纳米管分散于混合溶液中，在100 110°C的条件、氩气氛围中回流反应I 24小时，反应结束后冷却至室温，过滤洗涤并置于80 100°C、通风环境下干燥I 4小时，即可得到基于碳纳米管的CO2吸附剂。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的混合气体中O2的体积含量为I 10%。
全文摘要
本发明公开了一种基于碳纳米管的CO2吸附剂及其制备方法。它的步骤如下(1)将碳纳米管加入到石英反应器内，通O2与N2的混合气体，加热，在N2氛围中冷却，即可得到表面氧化的碳纳米管；(2)取有机胺与甲苯的的混合溶液，将所述氧化的碳纳米管分散于混合溶液中，氩气氛围中回流反应，反应结束后冷却至室温，过滤洗涤通风环境下干燥，即可得到基于碳纳米管的CO2吸附剂。本发明的CO2吸附剂制备工艺简单，对环境友好，可有效提高碳纳米管对CO2吸附量，吸附再生稳定性高，克服了酸化操作复杂以及浸渍法获得的吸附剂有机质易挥发的缺点。
文档编号B01J20/22GK103170312SQ20131011267
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者雷乐成, 胡惠蓉, 杨彬, 张兴旺, 李中坚 申请人:浙江大学