CN103657610B - 选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂及其制备方法。该吸附剂由卤化苄单体与伯胺类单体聚合而成；其选择吸附性能为：在常压25℃下，CO2/CH4分离选择性至少为8.68、且CO2/N2分离选择性至少为108.72，或者在常压0℃下，CO2/CH4分离选择性至少为6.35、且CO2/N2分离选择性至少为56.88。该制备方法包括：将卤化苄单体与伯胺类单体溶解于有机溶剂中，并进行聚合反应；将所得产品在含氢氧化钾的乙醇和水混合溶液中进行碱处理，然后洗涤、干燥，即得成品。本发明吸附剂针对二氧化碳的吸附选择性高，原料价格低廉，制备过程简单且无需采用催化剂，吸附剂经再生处理后可继续使用。

Description

选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂、其制备方法、及该吸附剂的应用。
背景技术
二氧化碳是一种重要的化工生产原料，用途广泛，大量用于生产纯碱、小苏打、尿素、碳酸氢铵、颜料铅白等；在轻工业上，生产碳酸饮料、啤酒、汽水等都需要CO2。然而，在另一方面，随着近年来工业的迅速发展和地球人口的急剧增加，大气中CO2含量猛增，导致温室效应加剧，全球气候变暖，两极地区冰川融化，海平面升高，许多沿海城市、岛屿或者低洼地区将面临海水上涨的威胁。
大量CO2的排放会对环境造成巨大的威胁，因此在天然气提纯时，在处理沼气、煤气、发酵气、工业废气等时都需要从中分离出CO2，此外还需要从烟道气中脱除和回收CO2气体，从而尽量减少CO2的排放。目前己有很多研究者在该领域作了大量研究。
目前，用于分离和提纯CO2的常用技术包括低温精馏法、吸收法、膜分离法以及固体吸附法。其中，固体吸附法因其具备工艺简单、对设备腐蚀性小、吸附剂回收再生能耗低等特点，已成为当今分离CO2的主要方法。
在固体吸附法中，与一般的固体吸附剂如活性炭、分子筛、沸石不同，多孔聚合物吸附剂由于其可调配的孔结构可引入功能基团，能够广泛应用于非均相催化、分离、气体储存等领域。
但是现有多孔聚合物吸附剂的制备方法都较为繁琐，且需要一些昂贵的单体原料或催化剂。例如，文献（EnergyEnviron.Sci.,2011,4,3991–3999）报道的多孔聚合物吸附剂PAF-3需要双-(1，5-环辛二烯)镍催化剂，四(4-溴)苯硅烷单体，但是该催化剂价格昂贵，而单体四(4-溴)苯硅烷合成步骤繁多，且条件比较苛刻。再如，文献（Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46,8574–8578）报道的多孔聚合物吸附剂CMP-1制备过程中使用了昂贵的四三苯基膦钯催化剂且合成过程复杂。这在很大程度制约了多孔聚合物吸附剂的应用。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术存在的问题，提供一种选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂，该吸附剂能有效选择性吸附二氧化碳。
本发明还有以下目的：提供上述吸附剂的制备方法，该方法步骤简单，易于控制，实施方便；还提供上述吸附剂的应用，以及上述吸附剂的再生方法。
本发明实现上述目的的技术方案如下：
一种选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂，其特征是，由卤化苄单体与伯胺类单体聚合而成；所述吸附剂的选择吸附性能为：在常压25℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性至少为8.68、且CO2/N2分离选择性至少为108.72，或者在常压0℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性至少为6.35、且CO2/N2分离选择性至少为56.88。
本发明吸附剂进一步完善的技术方案如下：
优选地，所述卤化苄单体至少为1,3,5-三氯甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三溴甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三氯甲基-2,4-间二甲苯、1,3,5-三氯甲基苯、1,3,5-三溴甲基苯之一；所述伯胺类单体至少为乙二胺、1,2-丙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、1,4-环己二胺、对苯二胺之一；所述卤化苄单体与伯胺类单体的摩尔比为1:0.5-2。
优选地，所述吸附剂的选择吸附性能为：在常压25℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性为8.68-15.75、且CO2/N2分离选择性为108.72-261.41，或者在常压0℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性为6.35-10.24、且CO2/N2分离选择性为56.88-128.61。
一种上述多孔聚合物吸附剂的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、将卤化苄单体与伯胺类单体溶解于有机溶剂中，并进行聚合反应；
第二步、将第一步所得产品在含氢氧化钾的乙醇和水混合溶液中进行碱处理，然后洗涤、干燥，即得成品。
本发明制备方法进一步完善的技术方案如下：
优选地，第一步中，所述卤化苄单体至少为1,3,5-三氯甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三溴甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三氯甲基-2,4-间二甲苯、1,3,5-三氯甲基苯、1,3,5-三溴甲基苯之一；所述伯胺类单体至少为乙二胺、1,2-丙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、1,4-环己二胺、对苯二胺之一；所述卤化苄单体与伯胺类单体的摩尔比为1:0.5-2；所述有机溶剂至少为四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙酸乙酯之一。
优选地，第二步中，碱处理的处理温度为40℃-80℃，处理时间为12-48h；碱处理所用混合溶液中，氢氧化钠的质量浓度范围为0.5-2%，乙醇和水的体积比为1:1；洗涤采用的溶液为由乙醇和水按体积比1:1混合而成的溶液，洗涤次数为4-5次；干燥温度为25℃-80℃。
优选地，第一步中：将卤化苄单体、伯胺类单体分别溶解于有机溶剂中，然后转入反应釜，在80℃-120℃下聚合反应12-48h；或者，在烧瓶中，将卤化苄单体、伯胺类单体溶解于有机溶剂中，然后在氮气气氛下，于60℃-80℃聚合反应12-48h。
上述吸附剂用于从混合气体中分离、提纯二氧化碳气体的用途。其中，混合气体还含有甲烷气体或氮气。
一种上述多孔聚合物吸附剂的再生方法，其特征是，包括以下步骤：将吸附饱和的多孔聚合物吸附剂置密闭容器中，于75-85℃下抽真空处理1.5-2.5h，即完成吸附剂的再生。
申请人经深入实践研究发现，采用卤化苄单体与伯胺类单体聚合而成的多孔聚合物吸附剂针对二氧化碳的吸附选择性高；同时卤化苄单体与伯胺类单体的价格较为低廉，制备过程简单且无需采用催化剂，该吸附剂经再生处理后可继续使用，这无疑有利于该吸附剂的推广应用。
具体实施方式
下面参照结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1制备选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂
具体制备过程如下：
第一步、将卤化苄单体与伯胺类单体溶解于有机溶剂中，并进行聚合反应；具体可采用以下两种方式之一：
第一种方式：将卤化苄单体、伯胺类单体分别溶解于有机溶剂中，然后转入反应釜，在80℃-120℃下聚合反应12-48h。
第二种方式：在烧瓶中，将卤化苄单体、伯胺类单体溶解于有机溶剂中，然后在氮气气氛下，于60℃-80℃聚合反应12-48h。
卤化苄单体至少为1,3,5-三氯甲基-2,4,6-三甲基苯（A1）、1,3,5-三溴甲基-2,4,6-三甲基苯（A2）、1,3,5-三氯甲基-2,4-间二甲苯（A3）、1,3,5-三氯甲基苯（A4）、1,3,5-三溴甲基苯（A5）之一；
伯胺类单体至少为乙二胺（B1）、1,2-丙二胺（B2）、1,4-丁二胺（B3）、1,6-己二胺（B4）、1,4-环己二胺（B5）、对苯二胺（B6）之一；
卤化苄单体与伯胺类单体的摩尔比为1:0.5-2；
有机溶剂至少为四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙酸乙酯之一。
第二步、将第一步所得产品在含氢氧化钾的乙醇和水混合溶液中进行碱处理，碱处理的处理温度为40℃-80℃，处理时间为12-48h，其中该混合溶液中，氢氧化钠的质量浓度范围为0.5-2%，乙醇和水的体积比为1:1；然后洗涤，洗涤采用的溶液为由乙醇和水按体积比1:1混合而成的溶液，洗涤次数为4-5次；干燥，干燥温度为25℃-80℃；即得成品。
具体应用案例如下表所示。
表1各案例的第一步参数
单体质量 单体摩尔比 有机溶剂 反应方式
案例1 0.5312gA1+0.0601gB1 1:0.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例2 0.5312gA1+0.1482gB2 1:1 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例3 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例4 0.5312gA1+0.3527gB3 1:2 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例5 0.5031gA3+0.3546gB4 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例6 0.7891gA2+0.3546gB4 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例7 0.7051gA5+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例8 0.4470gA4+0.3426gB5 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例9 0.5312gA1+0.3244gB6 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
案例10 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 1,4-二氧六环 烧瓶60℃24h
案例11 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 乙酸乙酯 烧瓶60℃24h
案例12 0.5312gA1+0.2645gB3 1:1.5 1,4-二氧六环 烧瓶60℃24h
案例13 0.5312gA1+0.3426gB5 1:1.5 乙酸乙酯 烧瓶60℃24h
案例14 0.7891gA2+0.3546gB4 1:1.5 1,4-二氧六环 烧瓶60℃24h
案例15 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃12h
案例16 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶70℃48h
案例17 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 1,4-二氧六环 烧瓶80℃24h
案例18 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 反应釜80℃24h
案例19 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 反应釜100℃24h
案例20 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 反应釜120℃24h
案例21 0.5312gA1+0.2645gB3 1:1.5 四氢呋喃 反应釜100℃12h
案例22 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 反应釜100℃48h
案例23 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 1,4-二氧六环 反应釜100℃24h
案例24 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 乙酸乙酯 反应釜100℃24h
案例25 0.5312gA1+0.1803gB1 1:1.5 四氢呋喃 烧瓶60℃24h
表2各案例的第二步参数
实施例2制得吸附剂的选择吸附性能
将实施例1各应用案例所得多孔聚合物吸附剂各取100mg，置美国麦克公司的ASAP2020比表面及孔隙分析仪中，在一定的压力和温度下进行吸附，最后分别测量各吸附剂对CO2，N2和CH4吸附量，并计算各吸附剂的CO2/CH4分离选择性、CO2/N2分离选择性。结果如下表所示。
表3各案例所得吸附剂的选择吸附性能
实施例3多孔聚合物吸附剂的再生
取实施例2中已吸附饱和的吸附剂P3（即实施例1案例3所得吸附剂），置密闭容器中，于80℃下抽真空处理2h，即完成再生。
将再生后的吸附剂P3按实施例2的方法再次进行吸附实验，结果为：常压25℃下，该吸附剂对CO2的吸附量为32.112mL/g，对CH4的吸附量为2.032mL/g，对N2的吸附量为0.122mL/g，因此，再生后吸附剂P3的CO2/CH4分离选择性为15.80，CO2/N2分离选择性为263.21。
这说明经再生处理的吸附剂，其选择吸附性能完全恢复至最初的水平，从而能实现反复使用。

Claims (3)

1.一种选择性吸附二氧化碳的多孔聚合物吸附剂的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
第一步、将卤化苄单体与伯胺类单体溶解于有机溶剂中，并进行聚合反应；
第二步、将第一步所得产品在含氢氧化钾的乙醇和水混合溶液中进行碱处理，然后洗涤、干燥，即得成品；
第一步中：将卤化苄单体、伯胺类单体分别溶解于有机溶剂中，然后转入反应釜，在80℃－120℃下聚合反应12－48h；或者，在烧瓶中，将卤化苄单体、伯胺类单体溶解于有机溶剂中，然后在氮气气氛下，于60℃－80℃聚合反应12－48h；
第二步中，碱处理的处理温度为40℃－80℃，处理时间为12－48h；碱处理所用混合溶液中，氢氧化钠的质量浓度范围为0.5－2％，乙醇和水的体积比为1：1；洗涤采用的溶液为由乙醇和水按体积比1：1混合而成的溶液，洗涤次数为4－5次；干燥温度为25℃－80℃；
第二步制得吸附剂的选择吸附性能为：在常压25℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性至少为8.68、且CO2/N2分离选择性至少为108.72，或者在常压0℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性至少为6.35、且CO2/N2分离选择性至少为56.88。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征是，第二步制得吸附剂的选择吸附性能为：在常压25℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性为8.68－15.75、且CO2/N2分离选择性为108.72－261.41，或者在常压0℃下，所述吸附剂的CO2/CH4分离选择性为6.35－10.24、且CO2/N2分离选择性为56.88－128.61。
3.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征是，第一步中，所述卤化苄单体至少为1，3，5－三氯甲基－2，4，6－三甲基苯、1，3，5－三溴甲基－2，4，6－三甲基苯、1，3，5－三氯甲基－2，4－间二甲苯、1，3，5－三氯甲基苯、1，3，5－三溴甲基苯之一；所述伯胺类单体至少为乙二胺、1，2－丙二胺、1，4－丁二胺、1，6－己二胺、1，4－环己二胺、对苯二胺之一；所述卤化苄单体与伯胺类单体的摩尔比为1：0.5－2；所述有机溶剂至少为四氢呋喃、1，4－二氧六环、乙酸乙酯之一。
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