CN103203220A - 二氧化碳吸附剂及其应用 - Google Patents

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卢霞
吴梦龙
刘杰
任玉锐
郭照冰
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Abstract

本发明的目的是提供二氧化碳吸附剂及其应用，属于大气污染控制中二氧化碳处理的领域。所述二氧化碳吸附剂，采用如下方法制备：苯胺与Y型分子筛进行聚合反应，得到固体颗粒；将固体颗粒进行碳化反应，得到二氧化碳吸附剂。本发明还提供二氧化碳吸附剂在吸收二氧化碳中的应用。本发明吸附剂具有很强的二氧化碳吸附能力，能够去除低浓度的二氧化碳，去除效果明显优于活性炭，操作简单，吸附剂再生性能优于活性炭，成本低。因此，本发明的二氧化碳吸附剂可以用于去除气体中低浓度二氧化碳，具有良好的经济效益和环境效益。

Description

二氧化碳吸附剂及其应用
 
技术领域：
本发明属于大气污染控制中二氧化碳处理的领域，具体涉及二氧化碳吸附剂及其应用。
背景技术
全球气候变暖是人类迄今面临的重大环境问题，也是21世纪人类面临的挑战之一。在所有的温室气体中，CO2含量高、寿命长，对温室效应的贡献最大。因此，控制CO2的浓度被认为是解决温室效应的关键措施。
活性炭具有发达的孔隙结构、较大的比表面积，对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强的吸附能力，有化学性质稳定、机械强度高、耐酸、耐碱、耐高温、易再生等优点，是一种常用的气体吸附剂。活性炭在气相吸附净化过程中，吸附能力主要由两方面因素决定：活性炭本身的微孔结构和微孔表面特性。孔结构会影响到可吸附的表面和吸附质的传质速率，而表面特性则可以改变吸附剂与吸附质之间的作用。影响CO2吸附的主要因素是活性炭的表面特性主要包括官能团的种类和数量。
一般认为当活性炭表面官能团为碱性时，容易吸附酸性化合物。气体分子在活性炭上的吸附主要由范德华力主导。活性炭的电荷比较弱，而且其正负电荷彼此接近，使得活性炭的表面无法形成明显的电场和电场梯度。表面基团一般对极性气体的吸附有明显的影响，对非极性气体的影响相对小一些。CO2是酸性气体，且CO2虽是非极性物质，但因存在四级矩而使其具有一定的极性。通常，活性炭的表面基团含量低，对CO2的吸附容量有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的二氧化碳吸附剂，能够有效地吸附低浓度CO2。
一种二氧化碳吸附剂，采用如下方法制备：
（1）苯胺与Y型分子筛进行聚合反应，得到固体颗粒；
（2）步骤（1）所述固体颗粒在惰性气体条件下进行碳化反应，得到二氧化碳吸附剂。
所述Y型分子筛在进行聚合反应前经过如下的预处理：将Y型分子筛在200~600℃条件下焙烧1~8h。
所述Y型分子筛为NaY型沸石分子筛、HY型分子筛或NH4Y型分子筛。
步骤（1）中每克分子筛与5~15ml苯胺进行聚合反应。
所述聚合反应的温度为20~90℃，聚合反应时间为10~20h，聚合反应的交联试剂为过硫酸铵。
步骤（2）中碳化反应的具体条件为：碳化反应温度为700~800℃，碳化反应时间为2~8h。
一种所述二氧化碳吸附剂在吸收二氧化碳中的应用。
所述二氧化碳吸附剂在吸附前要进行如下活化：将二氧化碳吸附剂放置于氮气条件下1-7h，保持温度为50-150℃。
有益效果
本发明吸附剂具有很强的二氧化碳吸附能力，能够去除低浓度的二氧化碳，去除效果明显优于活性炭，操作简单，吸附剂再生性能优于活性炭，成本低。因此，本发明的二氧化碳吸附剂可以用于去除气体中低浓度二氧化碳，具有良好的经济效益和环境效益。
附图说明
图1 二氧化碳吸附剂1与F300活性炭吸附低浓度CO2的穿透曲线图，其中C是吸附后的CO2的浓度，C0是CO2的初始浓度。
图2二氧化碳吸附剂1与F300活性炭的吸脱附循环性能。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述，本发明的范围并不以具体实施方式为限。
在本实施例及以下实施例中，吸附容量是指透过点时，每克吸附剂吸附的二氧化碳摩尔数。
实施例1
NaY型分子筛的预处理：在马弗炉内，将NaY型分子筛在350℃条件下焙烧3.5h。
在200ml烧杯中加入40ml无水乙醇，然后加入20ml苯胺，搅拌混匀。称取3g经预处理的NaY型分子筛加入到上述的混合液中，搅拌2h混匀，加热至20℃。加入预热至20℃、浓度为1M的过硫酸铵水溶液58ml，在搅拌状态下进行聚合反应20h，反应温度保持在20℃，得到固体颗粒。将固体颗粒依次用蒸馏水和乙醇清洗，在75℃下干燥。
将干燥后的固体颗粒放入管式炉内，通入氮气，按照5℃/min升温至700℃。固体颗粒在700℃条件下的碳化反应时间为3h。将碳化反应产物用质量浓度为40%的HF反复清洗，再用大量的蒸馏水和乙醇清洗至中性，在室温下真空干燥，得到二氧化碳吸附剂1，置于干燥器中保存备用。
活化二氧化碳吸附剂1的方法：将二氧化碳吸附剂1放入U型石英管中，按照50ml/min的速度通入氮气，温度保持在75℃，处理时间为3.5h。
实施例2 
HY型分子筛的预处理：在马弗炉内，将HY型分子筛在200℃条件下焙烧8h。
在200ml烧杯中加入40ml无水乙醇，然后加入15ml苯胺，搅拌混匀。称取3g经预处理的HY型分子筛加入到上述的混合液中，搅拌5h混匀，加热至90度并保温。加入预热至90℃的过硫酸铵水溶液58ml（浓度为1M），在搅拌状态下、温度为90℃条件下进行聚合反应10h，得到固体颗粒。将固体颗粒依次用蒸馏水和乙醇清洗，在80℃下干燥。
将干燥后的固体颗粒放入管式炉内，通入氮气，按照2℃/min的温度升温至750℃。固体颗粒在750℃条件下的碳化反应时间为3h。将碳化反应产物用质量浓度为40%的HF反复清洗，再用大量的蒸馏水和乙醇清洗至中性，在室温下真空干燥，得到二氧化碳吸附剂2，置于干燥器中保存备用。
活化二氧化碳吸附剂2的方法：将二氧化碳吸附剂2放入U型石英管中，按照100ml/min的速度通入氮气，温度保持在90℃，处理时间为4h。
实施例3 
NH4Y型分子筛的预处理：在马弗炉内，将NH4Y型分子筛在600℃下焙烧1h。
在200ml烧杯中加入40ml无水乙醇，然后加入35ml苯胺，搅拌混匀。称取3g经预处理的NH4Y型分子筛加入到上述混合液中，搅拌3h混匀后，在40℃下恒温。加入预热至40℃的过硫酸铵水溶液58ml（浓度为1M），聚合反应开始， 40℃、搅拌条件下反应15h，得到固体颗粒。将固体颗粒依次用蒸馏水和乙醇清洗，在75℃下干燥。
将干燥后的固体颗粒放入管式炉内，通入氮气，按照10℃/min升温至800℃。固体颗粒在800℃条件下的碳化反应为2h。将碳化反应产物用质量浓度为40%的HF反复清洗，再用大量的蒸馏水和乙醇清洗至中性，在室温下真空干燥，得到二氧化碳吸附剂3，置于干燥器中保存备用。
活化二氧化碳吸附剂3的方法：将二氧化碳吸附剂3放入U型石英管中，按照75ml/min的速度通入氮气，温度保持在80℃，处理时间为2.5h。
实施例4 本发明二氧化碳吸附剂的吸附性能
吸附实验1：将实施例1、2和3中制备并活化的二氧化碳吸附剂1、2和3进行吸附实验。吸附实验的具体方法为：将二氧化碳吸附剂放入U型石英管内，容器内的压力为常压，吸附温度为20℃，改变二氧化碳的初始分压，检测各二氧化碳吸附剂的吸附容量。
结果如表1所示。可见，在较低分压范围内，含氮碳吸附材料对二氧化碳的吸附量随着分压的升高而升高。二氧化碳吸附剂1、2和3的穿透时间为15min左右，而F300活性炭材料的穿透时间为10min左右（具体见图1），二氧化碳吸附剂1、2和3吸附性能较活性炭提高了43%。可见，本发明二氧化碳吸附剂吸附效果更佳。
表1  吸附温度293K、不同二氧化碳分压下各吸附剂的吸附容量
Figure 185173DEST_PATH_IMAGE001
吸附实验2：将二氧化碳吸附剂放入U型石英管中，容器内的压力为常压，吸附温度为45℃，二氧化碳的初始分压为10%，此时，二氧化碳吸附剂1、2和3的吸附容量分别为：1.56mmol/g、1.49mmol/g，1.45 mmol/g。
吸附实验3：将二氧化碳吸附剂放入U型石英管中，容器内的压力为常压，吸附温度为65℃，二氧化碳的初始分压为10%，此时，二氧化碳吸附剂1、2和3的吸附容量分别为：1.20mmol/g、1.13mmol/g，1.00 mmol/g。
二氧化碳吸附剂1的再生率研究：吸附实验1中，在二氧化碳初始分压为10%条件下进行吸附（第一次吸附）后的二氧化碳吸附剂1采用如下方法进行第一次再生：在65℃的温度下，以70ml/min流速的高纯氮气（99.99%）活化3.5h。将第一次再生后的二氧化碳吸附剂1再进行第二次吸附，方法同第一次吸附。第二次吸附后，再进行第二次再生，方法同第一次再生。依此方法进行循环，研究各次吸附容量并计算再生率。结果如表2及图2所示。
表2二氧化碳吸附剂1各次吸附容量及再生率
  吸附容量 再生率
第一次吸附 2.2mmol/g  
第二次吸附 2.14mmol/g 95%
第三次吸附 2.06mmol/g 91%
F300活性炭的再生率研究：将进行了吸附实验1（第一次吸附）的F300活性炭采用如下方法进行第一次再生：在65℃的温度下，以70ml/min流速的高纯氮气（99.99%）下活化3.5h。将第一次再生后的F300活性炭再进行第二次吸附，方法同第一次吸附。第二次吸附后，再进行第二次再生，方法同第一次再生。依此方法进行循环，研究各次吸附容量并计算再生率。结果如表3及图2所示。
表3 F300活性炭各次吸附容量及再生率
  吸附容量 再生率
第一次吸附 1.59mmol/g  
第二次吸附 1.45mmol/g 91%
第三次吸附 1.37mmol/g 86%
可见，再生数次后，本发明二氧化碳吸附剂吸附容量降低的速率比F300活性炭低，适合多次重复吸附。

Claims (8)

1.一种二氧化碳吸附剂，其特征在于采用如下方法制备：
（1）苯胺与Y型分子筛进行聚合反应，得到固体颗粒；
（2）步骤（1）所述固体颗粒在惰性气体条件下进行碳化反应，得到二氧化碳吸附剂。
2.根据权利要求1所述二氧化碳吸附剂，其特征在于：所述Y型分子筛在进行聚合反应前经过如下的预处理：将Y型分子筛在200~600℃条件下焙烧1~8h。
3.根据权利要求2所述二氧化碳吸附剂，其特征在于：所述Y型分子筛为NaY型沸石分子筛、HY型分子筛或NH4Y型分子筛。
4.根据权利要求3所述二氧化碳吸附剂，其特征在于：步骤（1）中每克分子筛与5~15ml苯胺进行聚合反应。
5.根据权利要求4所述二氧化碳吸附剂，其特征在于：所述聚合反应的温度为20~90℃，聚合反应时间为10~20h，聚合反应的交联试剂为过硫酸铵。
6.根据权利要求5所述二氧化碳吸附剂，其特征在于：步骤（2）中碳化反应的具体条件为：碳化反应温度为700~800℃，碳化反应时间为2~8h。
7.一种权利要求1-6之一所述二氧化碳吸附剂在吸收二氧化碳中的应用。
8.根据权利要求7所述二氧化碳吸附剂在吸收二氧化碳中的应用，其特征在于所述二氧化碳吸附剂在吸附前要进行如下活化：将二氧化碳吸附剂放置于氮气条件下1-7h，保持温度为50-150℃。
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