CN105233885A - 一种利用阴离子功能化的大孔树脂实现co2高效捕集的方法 - Google Patents

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本发明涉及一种利用阴离子功能化的大孔树脂实现CO2高效捕集的方法，主要是设计将一系列可捕集CO2的碱性功能阴离子负载于商业化的大孔树脂上，实现对CO2的可调控捕集，吸收压力为0.0001～0.2MPa，吸收温度为20℃～100℃下，吸收时间为0.1～3小时，吸收的CO2是十分容易脱附的，脱附温度在60～120℃之间，脱附时间在0.1～3小时之间。具有吸收容量高、吸收速率快、可调控等优点，是一种极具工业应用潜力的捕集二氧化碳的方法。

Description

一种利用阴离子功能化的大孔树脂实现CO2高效捕集的方法
技术领域
本发明涉及一种化学制备方法，具体地说，是一种利用阴离子功能化的大孔树脂来实现CO2高效可逆捕集的方法。
背景技术
温室气体CO2的大量排放，导致全球气候变暖，影响生态、环境与人类健康，因此如何实现CO2的高效捕集成为全球广泛关注的热点问题。目前，传统的工业捕集CO2方法是醇胺水溶液吸收法，该方法具有原料成本低、吸收速度快、吸收容量大等优点，但也存在很多局限性，如溶剂易挥发，设备易腐蚀，吸收剂易氧化，再生能耗高等。据统计，火力发电厂如果采用该方法进行CO2的捕集，需要消耗发电厂约30％的能量。
固体吸附材料为发展新的CO2捕集方法提供了许多新的思路。首先，固体吸附材料具有较大的比表面积和孔体积，通过物理吸附的方法能够捕集大量CO2；其次，固体吸附材料的多孔特性允许CO2分子在孔道内快速传输，使CO2迅速与材料中的化学作用位点相结合，能够高效迅速地捕集CO2。但是，这种固体吸附方法仍然具有一定局限性，例如合成方法复杂、功能化难度大、成本较高、循环稳定性差等，限制了诸多吸附材料的工业化应用。商业化的大孔树脂，作为一种有机多孔材料在工业催化以及水处理领域的应用日臻成熟，但若广泛应用于气体捕集领域，仍十分艰难。原因在于，大孔树脂虽然可以通过化学枝接法或浸渍法将胺等与CO2具有较强作用力的功能基团引入有机骨架或孔道之中，但是这种方法会导致大孔树脂的比表面积急剧下降，捕集效率也随之降低，而且，由于胺与CO2的化学作用能很高，气体脱附温度需要达到120℃以上，需要大量能耗。例如，Richard等人曾将Lanxess公司生产的伯胺功能化大孔树脂LewatitVPOC1065用于CO2捕集研究中，利用胺与CO2的化学作用最多可以达到2.5mmol/g的吸附量，但是脱附温度需要达到200℃才能使树脂完全再生。然而，大孔树脂存在非常丰富的有机骨架网络结构，为进一步树脂功能化提供可能，而且树脂稳定性好，价格低廉，这些优点为CO2捕集的工业化应用提供了很多机会，需要发展一种新的商业树脂功能化策略应用于CO2的捕集中，实现高效可逆、循环稳定性高、价格低廉等特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用阴离子功能化的大孔树脂实现高效碳捕集的新方法。
本发明提供的一种利用阴离子功能化大孔树脂实现高效碳捕集的方法，是将一系列可捕集CO2的碱性功能阴离子负载于商业大孔树脂上，以这种功能可调的商业大孔树脂为吸附材料，通过化学物理两种作用来捕集CO2气体，实现CO2高效快速、可调控的捕集。
本发明的具体技术方案如下：
本发明公开了一种利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，将一系列可与CO2相互作用的阴离子负载在商业大孔交换树脂上，实现对CO2的可调控捕集，吸收压力为0.0001～0.2MPa，吸收温度为20℃～100℃下，吸收时间为0.1～3小时，吸收的CO2是易脱附，脱附温度在60～120℃之间，脱附时间在0.1～3小时之间。
作为进一步地改进，本发明所述的大孔树脂为市面可售的商业大孔阴离子交换树脂经阴离子交换的功能化处理后得到，所述的商业大孔交换树脂的型号为国产D201大孔交换树脂、美国罗门哈斯树脂AmberliteIRA-900、AmberlystA26、德国LewatitMP-500、日本DiaionPA中的一种。
作为进一步地改进，本发明所述的负载后的阴离子为四氮唑阴离子、苯并三氮唑阴离子、苯酚阴离子、三氮唑阴离子、咪唑阴离子中的一种。
作为进一步地改进，本发明所述的大孔树脂为三氮唑阴离子功能化的AmberliteIRA-900树脂。
作为进一步地改进，本发明所述的CO2压力在0.01到0.1MPa大气压之间。
作为进一步地改进，本发明所述的CO2吸收温度在20℃～80℃之间。
作为进一步地改进，本发明所述的CO2吸收时间在0.5～1小时之间。
作为进一步地改进，本发明所述的吸收的CO2是十分容易脱附的，脱附温度可在70～90℃之间。
作为进一步地改进，本发明所述的CO2脱附时间在0.2～0.5小时之间。
本发明主要是设计将一系列可捕集CO2的碱性功能阴离子负载于商业化的大孔树脂上，首次通过这种阴离子功能化的策略使商业化大孔树脂获得卓越的捕集CO2的能力，实现了对CO2的高效可逆捕集，该方法在工业化应用方面也极具潜力。
与传统方法相比，本发明所采用的方法是十分新颖的，具有如下特性和有益效果：1)将一系列可捕集CO2的功能基团以阴离子的形式负载于商业大孔树脂上，通过这种功能化的策略大幅度提高了商业大孔树脂捕集CO2的能力，实现对CO2的高效可逆捕集，常压下最高可达4.3mmol/g；2)负载有与CO2具有较高作用焓的功能阴离子的大孔树脂，在低压条件下也可以实现对CO2的良好吸收。
具体实施方式
本发明是一种利用阴离子功能化大孔树脂的策略来实现CO2高效捕集的方法，是将可捕集CO2的功能阴离子通过酸碱中和作用负载于商业大孔树脂上，使其既具有功能化阴离子的良好吸收CO2能力，又具有大孔材料的优秀吸收速率。以这种阴离子功能化大孔树脂为吸附材料，来捕集CO2气体，吸附压力为0.0001～0.2MPa，吸附温度为20℃～100℃下，吸附时间为0.1～3小时；吸附的CO2极易脱附，脱附温度在60～120℃之间，脱附时间在0.1～3小时之间。
本发明所用的一系列大孔树脂均以市面可售的大孔型阴离子交换树脂为原料，型号有：国产D201交换树脂；美国罗门哈斯树脂AmberliteIRA-900、AmberlystA26；德国LewatitMP-500；；日本DiaionPA等，通过树脂交换法，经过功能化处理后所负载的功能阴离子分别为四氮唑阴离子、苯并三氮唑阴离子、苯酚阴离子、三氮唑阴离子或咪唑阴离子。
CO2压力可在一个较宽的范围内变化，通常在0.0001到0.2MPa大气压之间，优选在0.01到0.1MPa之间；吸附温度可在20℃～100℃之间，优选在20℃～40℃之间；吸附时间在0.1～3小时之间，优选在0.2～1小时之间；CO2吸收焓在-20kJmol-1到-90kJmol-1之间，优选为吸收焓在-60kJmol-1到-30kJmol-1之间。
吸附的CO2是十分容易脱附的，脱附温度可在60～120℃之间，优选70℃～80℃之间；脱附时间在0.1～3小时之间，优选在0.3～0.5小时之间。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
在一内径为1cm的5ml玻璃容器中，加入三氮唑阴离子负载的AmberliteIRA-900树脂0.4g，然后缓慢通入CO2气体，流量60ml/min，压力0.1MPa，控制吸附温度为25℃，控制吸附时间为0.5小时，称重表明该商业树脂对CO2的吸附容量为4.3mmol/g。TGA实验显示该阴离子功能化的AmberliteIRA-900树脂的CO2吸附焓为-60kJmol-1。
实施例2-6
类似于实施例1，控制CO2气体压力为0.1MPa，吸附温度25℃，改变三氮唑阴离子负载的商业树脂种类，CO2的吸附结果如下表(表1)：
表1不同商业树脂载体对CO2捕集的影响
施例7-10
类似于实施例1，控制CO2气体压力为0.1MPa，吸附温度25℃，改变负载于AmberliteIRA-900树脂功能阴离子的种类，CO2吸附的结果如下表(表2)：
表2不同功能阴离子种类对CO2捕集的影响
实施例12-23
类似于实施例1，采用三氮唑阴离子功能化的AmberliteIRA-900树脂作为吸附材料，捕集CO2气体，改变吸附温度、气体压力和吸附时间等条件，吸附结果如下表(表2)：
表2不同吸附条件对CO2吸附的影响
实施例24
在一内径为1cm的5ml玻璃容器中，加入已充分捕集CO2的三氮唑阴离子功能化的AmberliteIRA-900树脂0.5g，然后缓慢通入氮气，流量60ml/min，压力0.1MPa，控制脱附温度为70℃，控制脱附时间为0.5小时，称重表明该功能化树脂捕集的CO2已完全脱附。
实施例25-29
类似于实施例24，控制氮气压力为0.1MPa，流量60ml/min，改变负载功能阴离子的种类，脱附的结果如下表(表3)：
以上列举的仅是本发明的部分具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，将一系列可与CO2相互作用的阴离子负载在商业大孔交换树脂上，实现对CO2的可调控捕集，吸收压力为0.0001～0.2MPa，吸收温度为20℃～100℃下，吸收时间为0.1～3小时，吸收的CO2是易脱附，脱附温度在60～120℃之间，脱附时间在0.1～3小时之间。
2.根据权利要求1所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，所述的大孔树脂为市面可售的商业大孔阴离子交换树脂经阴离子交换的功能化处理后得到，所述的商业大孔交换树脂为国产D201大孔交换树脂、美国罗门哈斯树脂AmberliteIRA-900、AmberlystA26、德国LewatitMP-500、日本DiaionPA中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，所述的阴离子为四氮唑阴离子、苯并三氮唑阴离子、苯酚阴离子、三氮唑阴离子、咪唑阴离子中的一种。
4.根据权利要求3所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，所述的大孔树脂为三氮唑阴离子功能化的AmberliteIRA-900树脂。
5.根据权利要求1或2或4所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，所述的CO2压力在0.01到0.1MPa大气压之间。
6.根据权利要求1或2或4所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，所述的CO2吸收温度在20℃～80℃之间。
7.根据权利要求1或2或4所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，所述的CO2吸收时间在0.5～1小时之间。
8.根据权利要求1或2或4所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于所述的吸收的CO2是十分容易脱附的，脱附温度可在70～90℃之间。
9.根据权利要求1或2或4所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆
捕集CO2的方法，其特征在于，所述的CO2脱附时间在0.2～0.5小时之间。
10.根据权利要求1或2所述的利用阴离子功能化的大孔树脂来高效可逆捕集CO2的方法，其特征在于，CO2吸收焓在-20kJmol-1到-90kJmol-1之间，优选为-60kJmol-1到-30kJmol-1之间。
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