CN102908981A - 锂基二氧化碳吸附剂的制备方法 - Google Patents

锂基二氧化碳吸附剂的制备方法 Download PDF

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郭欣
王珂
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Abstract

本发明公开了一种锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，该方法将碳酸锂与高岭土按照摩尔比（2.0～2.8）：1混合，升温焙烧，反应制备得到锂基CO2吸附剂。作为改进，在焙烧反应前，按下述过程对高岭土进行预处理：将高岭土预焙烧，使高岭土脱水形成无定形硅酸铝，再利用盐酸酸洗并水浴除去其他杂质。升温焙烧时的反应温度优选为700℃～900℃，焙烧时间优选为2h～6h。本发明所合成的吸附剂天然矿物，价格低廉容易获得，对环境不产生二次污染，制备工艺简单，且制备的锂基吸附剂具有较高吸附速度和较大吸附量，并且其中含有少量的钾、钠等元素，提高了二氧化碳吸附剂的捕获性能，且吸附剂具有良好的抗烧结性。

Description

锂基二氧化碳吸附剂的制备方法
技术领域
本发明属于能源与环境领域，具体涉及一种廉价、高效锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，它可以吸附各种含二氧化碳尾气中的二氧化碳，尤其适用于燃煤电厂、煤气化制氢和甲烷蒸气重整，并且其循环特性良好。 
背景技术
近年来，以CO2为主的温室气体所引起的全球变暖已受到世界各国的普遍关注。CO2被联合国环境规划署列为全球性污染物，在1997年于日本京都召开的联合国气候化纲要公约第三次缔约国大会中所通过的《京都协议书》，明订针对六种温室气体进行削减，其中就包括CO2。CO2等温室气体增温效应导致植被的迁徙与物种的灭绝，气候带移动，海平面上升与陆地淹没，洋流变化和厄尔尼诺频发等现象。我国作为CO2排放大国，有义务对CO2排放进行严格控制，尤其是燃煤电站CO2的控制，这对解决或缓解全球气候变暖将产生积极的影响。 
世界各国都在研究大规模脱出和控制CO2的技术和方法，如膜分离技术、胺吸收法、O2/CO2循环燃烧方式、化学链燃烧法、稀土金属氧化物吸收法、固体吸附剂吸收法等，一般认为化学吸附具有更高的CO2脱出效率，然而技术经济性也是选择CO2减排方式的重要因素。目前，有相当多的国内外学者对于CO2高温吸收的化学吸收剂展开研究，出于原料来源、成本及吸收能力的考虑，CaO被视为高温CO2吸附剂的首选材料，一度成为研究的热点，但是钙基吸附剂随循环次数增加捕集CO2的性能均呈衰减趋势，为保持较高的碳脱除效率需额外补充新鲜吸附剂，从而大大加重运行成本；与钙基吸附剂相比，锂基吸附剂具有以下优点：（1）吸附剂脱附温度低， 在100％CO2气氛下，脱附温度一般在750-800℃；（2）吸附剂循环性能较好，并没有出现随着循环次数增加循环性能急剧下降的状况；（3）吸附剂机械性能较好，更适合作为流化床的床料。因此，硅酸锂吸附剂是一种有前景的CO2高温吸附剂。而硅酸锂吸附剂方面，常规固态制备方法主要采用价格较为昂贵的硅胶作为合成原料，无疑合成成本较高，同时制备出的吸附剂捕获CO2活性较弱、反应速率较慢，难以达到实际应用的需求。 
迄今为止，尚未见到以廉价的高岭土为原料来制备高温CO2吸收材料硅酸锂的发明专利、研究文献等报道。 
发明内容
本发明的目的是提供了一种锂基CO2吸附剂的合成方法，它以天然矿物高岭土为原料来制备锂基CO2吸附剂，从而降低了锂基吸附剂的制备成本，同时达到缓解温室效应的作用，降低了治理环境和生态环境的成本。 
本发明提供的锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，将碳酸锂与高岭土按照摩尔比2.0∶1～2.8∶1混合，升温焙烧，反应制备得到锂基CO2吸附剂。 
作为上述技术方案的改进，在焙烧反应前，按下述过程对高岭土进行预处理：将高岭土预焙烧，使高岭土脱水形成无定形硅酸铝，再利用盐酸酸洗并水浴除去杂质。 
作为上述技术方案的进一步改进。升温焙烧时的反应温度优选为700℃～900℃，焙烧时间优选为2h～6h。 
采用本发明方法制备得到的锂基吸附剂来吸收CO2，将该吸附剂置于热重分析仪中，在(摩尔比)N2∶CO2=(0～6)∶1的气氛中，在吸附温度为500℃～800℃下，得到CO2的吸收容量为15％～31％。锂基吸附剂吸收CO2的过程是一个可逆的过程，过程可用方程式表示如下： 
因此，吸附剂可以在较低温度时捕获混合气体中的CO2，并在较高温度时放出高浓度的CO2，从而达到循环捕获利用CO2的目的。具体而言，本发 明具有以下优点： 
(1)吸附剂合成原料为天然矿物，价格低廉容易获得，对环境不产生二次污染。 
(2)吸附剂具有较高吸附速度和较大吸附量，并且其中含有少量的钾、钠等元素，提高了吸附剂的捕获性能。 
(3)吸附剂具有良好的抗烧结性，经50次吸附/脱附循环后吸附剂仍具有良好的吸附性能。 
具体实施方式
将碳酸锂与高岭土按反应计量混合，在反应炉中升温焙烧，利用高温固相法制备锂基CO2吸附剂。 
本发明的方法选用的具体工艺参数为： 
在原料焙烧反应前，将高岭土放入马弗炉中焙烧，使高岭土脱水形成无定形硅酸铝，再利用盐酸酸洗并水浴除去其他杂质，再将碳酸锂与预处理过的高岭土按摩尔比=(2.0～2.8)∶1比例加入适量乙醇研磨使原料充分混合，之后进行干燥，接着在马弗炉中焙烧反应。碳酸锂与预处理过的高岭土优选的摩尔比为(2.1～2.4)∶1。 
高岭土放入马弗炉中预处理温度为700℃～900℃，时间1h～2h；酸洗过程中盐酸浓度为1mol/L～9mol/L，水浴温度为25℃～90℃，时间1h～4h；碳酸锂与预处理过的高岭土在马弗炉中的反应温度为700℃～900℃，焙烧2h～6h。 
合成反应如下： 
2Li2CO3+SiO2=Li4SiO4+2CO2。 
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 
实例1. 
首先，将高岭土放入马弗炉中焙烧处理2小时，温度为700℃，处理其中的水分并破坏其结构。再将焙烧后的高岭土置于装有搅拌器的三口烧瓶中，加入浓度为6mol/L的盐酸溶液，置于水浴恒温槽中，加热至90℃并搅拌2.5小时，过滤并烘干得到预处理的高岭土。然后将摩尔配比为2.0的碳酸锂粉末和预处理高岭土混合均匀，加入乙醇研磨，进行干燥。在800℃下，将碳酸锂和高岭土放入马弗炉中焙烧4小时得到硅酸锂粉末。并将制的锂基吸附剂放入热重分析中，在100％CO2气氛中以10K/min的升温速率从20℃升到690℃（吸收温度），并恒温15min进行CO2的吸收反应，得到CO2的吸收容量为26％。 
实例2. 
参照实例1制备了硅酸锂吸附剂，并将硅酸锂吸附剂放在热重分析仪中进行CO2吸收反应，所不同的是预处理温度为900℃，时间为1h，焙烧温度为700℃，焙烧时间为2h，得到CO2吸收容量为12.6％。 
实例3. 
参照实例1制备了硅酸锂吸附剂，并将硅酸锂吸附剂放在热重分析仪中进行CO2吸收反应，所不同的是预处理温度为800℃，水浴温度为25℃，水浴时间为1h，焙烧温度为700℃，得到CO2吸收容量为25％。 
实例4. 
参照实例1制备了硅酸锂吸附剂，并将硅酸锂吸附剂放在热重分析仪中进行CO2吸收反应，所不同的是酸洗时盐酸浓度为1mol/L，水浴温度为70℃，水浴时间为3h，焙烧时间为2h，得到CO2吸收容量为23.2％。 
实例5. 
参照实例1制备了硅酸锂吸附剂，并将硅酸锂吸附剂放在热重分析仪中进行CO2吸收反应，所不同的是原料摩尔比为2.1，得到CO2吸收容量为28.1％。 
实例6. 
参照实例1制备了硅酸锂吸附剂，并将硅酸锂吸附剂放在热重分析仪中进行CO2吸收反应，所不同的是原料摩尔比为2.4，得到CO2吸收容量为31.3％。 
实例7. 
参照实例1制备了硅酸锂吸附剂，其中，碳酸锂与高岭土按照摩尔比2.8∶1混合，将硅酸锂吸附剂放在热重分析仪中进行CO2吸收反应，所不同的是预处理温度为700℃，酸洗时盐酸浓度为9mol/L，水浴温度为50℃，水浴时间为4h，焙烧温度为900℃，得到CO2吸收容量为17.2％。 
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。 

Claims (7)

1.一种锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，将碳酸锂与高岭土按照摩尔比2.0∶1～2.8∶1混合，升温焙烧，反应制备得到锂基CO2吸附剂。
2.根据权利要求1所述的锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，其特征在于，在焙烧反应前，按下述过程对高岭土进行预处理：将高岭土预焙烧，使高岭土脱水形成无定形硅酸铝，再利用盐酸酸洗并水浴除去杂质。
3.根据权利要求2所述的锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，其特征在于，在混合过程中加入适量乙醇研磨使原料充分混合，之后进行干燥。
4.根据权利要求3所述的锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，其特征在于，将碳酸锂与高岭土的摩尔比为2.1∶1～2.4∶1。
5.根据权利要求4所述的锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，其特征在于，高岭土进行预处理时，预焙烧的温度为700℃～900℃，时间1h～2h。
6.根据权利要求2至5中任一所述的锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，其特征在于，酸洗过程中盐酸浓度为1mol/L～9mol/L，水浴温度为25℃～90℃，时间1h～4h。
7.根据权利要求1至5中任一所述的锂基二氧化碳吸附剂的制备方法，其特征在于，升温焙烧时的反应温度为700℃～900℃，焙烧2h～6h。
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