CN103962097A - 浒苔基制备co2炭基吸附剂的方法 - Google Patents

浒苔基制备co2炭基吸附剂的方法 Download PDF

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阎子峰
张占全
乔柯
邢伟
宋林花
高秀丽
闫新龙
王有和
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Abstract

本发明涉及一种CO2炭基吸附剂的方法，具体为浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法，先将浒苔制成浒苔基水热炭，再通过碱处理得到水热炭／碱混合物；进行活化炭化，得到的炭化样品经过HF酸洗，干燥，即得到CO2炭基吸附剂。本发明的主要充分利用丰富的浒苔资源，通过水热炭化制备的浒苔基水热炭可以有效的固定碳源，充当土壤肥料；炭被固定下来，降低了释放CO2的可能性，达到废物利用的目的；另外制备的浒苔基水热炭通过与KOH活化，制备了具有多级孔结构的含氮活性炭，其中微孔结构用于物理吸附CO2，大孔网络结构有助于提高CO2吸附与脱附速度，引入的氮源有助于提高CO2的吸附性能。

Description

浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法
发明领域
本发明涉及一种CO2炭基吸附剂的方法，具体为浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法。
技术背景
CO2的捕捉和封存技术可以有效解决CO2的排放问题。其中最受人关注的是：固相吸附耦合变温变压以及真空技术。目前被用于CO2吸附的固体吸附剂主要有PEI负载型吸附剂如PEI／MCM-41，PEI／SBA-15，PEI／SiO2等，金属有机框架材料、分子筛、活性炭和高温碱金属或碱土金属复合氧化物。
作为CO2吸附剂能实现工业化应用必须满足以下几点：(1)高的CO2吸附容量；(2)具有较好的循环再生使用性能；(3)CO2吸附剂所对应的工艺条件容易在目前的工业CO2排放装置上改装。(4)较低的经济成本。在上述所述的CO2吸附剂中，PEI负载型吸附剂虽然具有较高的CO2吸附量，但是PEI担载型吸附剂制备工艺复杂，需要多步工艺过程，既耗时，成本又高。虽然低成本载体已经被逐渐开发，但是PEI负载型吸附剂再生循环性能差，多次循环利用后，会在吸附剂表面形成不容易脱附的尿素化合物，导致吸附性能降低。金属有机框架材料材料，同样具有较高的CO2吸附量，但是其操作环境、自身结构的稳定性以及成本限制了其工业应用。高温碱土金属吸附剂需要在高温下才能发生CO2吸附，同时也需要在高温条件下发生化学脱附，需要的能耗高。
从2008年开始，青岛沿海地区浒苔爆发，严重影响了海上交通，给沿海旅游业带来重大经济损失。同时由于浒苔爆发，覆盖沿海海域，影响海底藻类的正常生长，浒苔繁殖周期短，大量浒苔的腐烂，在造成沿海环境恶化的同时，又向大气中释放了大量的CO2。由于浒苔中含有丰富的纤维素，半纤维素和木质素，因此把浒苔中的炭源固定下来，制备炭材料，既解决了环境污染问题，又解决了浒苔自身的CO2释放问题，同时还有作为吸附剂降低大量中的CO2含量。
发明内容
本发明目的是解决浒苔的污染问题以及CO2排放问题，提供了一种以浒苔为原料，制备水热炭和CO2炭基吸附剂的方法。本发明具体的技术方案如下：
浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法，包括以下步骤：
(1)浒苔基水热炭的制备
将浒苔干基、有机酸和水按质量比5∶0～1.25∶75的比例混合均匀制备成悬浮液，悬浮液在160～200℃水热处理12～24h；有机酸优选为柠檬酸。
再经过水洗涤、乙醇洗涤，在100℃干燥12h，制得浒苔基水热炭；
(2)CO2炭基吸附剂的制备
浒苔基水热炭、碱和水按质量比1∶1～3∶20的比例混合，搅拌均匀，然后静置于60℃水浴锅内1.5h；然后在100℃烘箱内烘干，最终得到水热炭／碱混合物；
将水热炭／碱混合物置于管式炉在600～900℃内进行活化炭化，得到的炭化样品经过HF酸洗，干燥，即得到CO2炭基吸附剂。
本发明中活化炭化时间为4h，升温速率为2℃／min。
本发明提供的浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法，浒苔原料可以为湿基原料或干基材料，对原料要求不严格。加入柠檬酸，可以显著提高水解、聚合以及浓缩化的能力，提高热值。本发明合成的浒苔基炭材料比表面积为418m2／g，孔容为0.37cm3／g，含氮量为2.58％(质量比)。
本发明的主要充分利用丰富的浒苔资源，利用温和的水热条件，成功制备了浒苔基水热炭，通过水热炭化制备的浒苔基水热炭可以有效的固定碳源，充当土壤肥料；炭被固定下来，降低了释放CO2的可能性，达到废物利用的目的；另外制备的浒苔基水热炭通过与KOH活化，制备了具有多级孔结构的含氮活性炭，其中微孔结构用于物理吸附CO2，大孔网络结构有助于提高CO2吸附与脱附速度，引入的氮源有助于提高CO2的吸附性能。本发明不仅解决了浒苔的污染问题，还同时作为CO2吸附剂抑制了CO2释放，实现浒苔原料的高效利用。
附图说明
图1是实施例EP-1样品的扫描电镜图；
图2是实施例EP-2样品的扫描电镜图；
图3是实施例EP-3样品的扫描电镜图；
图4是实施例EP-3的吸附性能随循环次数变化图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行进一步说明，但是本发明不只限于以下实施例。
实施例1
5g浒苔干基与75mL蒸馏水进行混合，搅拌均匀，然后转入150mL聚四氟乙烯反应釜内，在180℃水热处理24h，最后将得到的溶液进行过滤，用水和乙醇进行洗涤，然后在100℃下进行干燥12h。得到的样品记作EP-1。通过元素含量分析，其中C为48.60％，H为4.95％，N为3.35％，S为2.27％。灰分含量为18.7％，其中含量均为质量比。
根据HHV(MJ／kg)=0.3383*C+1.422*(H-O／8)=19.54MJ／kg。相对于浒苔原始的14.1MJ／kg，有较大的提高。因此得到的水热炭可以做浓缩型燃料，同时因为炭固定下来，可以当成土壤肥料。EP-1的扫描电镜图像(SEM)如图1所示，EP-1表层有很多的纳米棒状结构组成。
实施例2
浒苔干基、柠檬酸和水按质量比5∶1.25∶75的比例进行混合，搅拌均匀，然后转入150mL聚四氟乙烯反应釜，在180℃水热处理24h，最后将得到的溶液进行过滤，用水和乙醇进行洗涤，然后在100℃下进行干燥12h。得到的样品记作EP-2。如图2所示，EP-2样品具有大量的网状结构。
实施例3
EP-2样品、KOH、水按照1∶1∶20的质量比进行混合，搅拌均匀，然后置于60℃保持1.5h。转移到烘箱内烘干水分，最后将所得到的水热炭／KOH复合样品放置管式炉内炭化和活化，采用程序升温2℃／min，固定温度在600℃，维持4h。最后得到的样品溶于10％HF溶液4h，经过过滤，洗涤，干燥，即可得到EP-3。
通过元素分析，EP-3样品的C含量：56.35％，H含量2.78％，N含量2.58％。EP-3样品既具有微孔结构，介孔结构，而且同时具备大孔结构，不同孔道之间相互连通，构成网状结构。如图3所示。EP-3样品的比表面积为418m2／g，其中微孔比表面积为358m2／g，总孔容为0.37cm3／g，其中微孔孔容为0.21cm3／g。
实施例4
EP-2样品、KOH和水按照1∶3∶20的质量比进行混合，搅拌均匀，然后 置于60℃环境中保持1.5h。转移到烘箱内烘干水分，最后将所得到的水热炭／KOH复合样品放置管式炉内炭化和活化，采用程序升温2℃／min，固定温度在600℃，维持4h。最后得到的样品溶于10％HF溶液4h，经过过滤，洗涤，干燥，即可得到EP-4。
EP-4的样品的总比表面积为800m2／g。
实施例5
将0.7gEP-3样品置于自制吸附反应器内，进行CO2吸附量测定，CO2气体组成为15.1％v／v，平衡气体为N2，在进行CO2吸附测试之前，样品首先在Ar气氛下，100℃预处理1h。
CO2浓度通过在线色谱检测。测试结果如下：EP-3样品0℃吸附量为106mg／g，25℃吸附量为61.4mg／g。
EP-3样品经过吸附-脱附循环性能测试，如图4所示。经过8次循环测试，CO2吸附量保持在98mg／g。

Claims (3)

1.浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)浒苔基水热炭的制备
将浒苔干基、有机酸和水按质量比5∶0～1.25∶75的比例混合均匀制备成悬浮液，悬浮液在160～200℃水热处理12～24h；
再经过水洗涤、乙醇洗涤，在100℃干燥12h，制得浒苔基水热炭；
(2)CO2炭基吸附剂的制备
浒苔基水热炭、碱和水按质量比1∶1～3∶20的比例混合，搅拌均匀，然后静置于60℃水浴锅内1.5h；然后在100℃烘箱内烘干，最终得到水热炭／碱混合物；
将水热炭／碱混合物置于管式炉在600～900℃内进行活化炭化，得到的炭化样品经过HF酸洗，干燥，即得到CO2炭基吸附剂。
2.根据权利要求1所述的浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法，其特征在于：所述的有机酸为柠檬酸。
3.根据权利要求1所述的浒苔基制备CO2炭基吸附剂的方法，其特征在于：所述的活化炭化时间为4h，升温速率为2℃／min。
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