CN106540660A - 用于吸收co2气体的离子液体吸附材料及其应用 - Google Patents

用于吸收co2气体的离子液体吸附材料及其应用 Download PDF

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Abstract

一种用于捕集CO2的新型高效稳定的离子液体吸附材料及制备方法，将表面活性剂在酸性条件下与均三甲苯及氟化铵混合，将硅源化合物加入其中并加热100-120℃，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并煅烧。将离子液体溶解于乙醇中，将载体分散于离子液体的乙醇溶液中并搅拌8~16小时。加热或抽真空除去乙醇后干燥得到离子液体吸附材料。本发明提出的离子液体吸附材料具有吸附容量大，稳定性强，不易降解，离子液体用量少、离子液体不流失等优势，同时吸附材料能够在较高温度下具有较大的CO2容量，因此能够有效利用气源的余热，降低能耗。因此在二氧化碳捕集领域具有很好的前景。

Description

用于吸收 CO 2 气体的离子液体吸附材料及其应用
技术领域
本发明属于气体中CO2捕集技术领域，涉及一种采用吸附法捕集CO2气源中的CO2。
背景技术
CO2的捕集已成为全球关注的“热点”问题。CO2的捕集技术包括溶剂吸收法、吸附法、低温分离法、膜分离法等。其中液态溶剂吸收一再生工艺较为成熟并得到工业应用。常用吸收剂有一乙醇胺、二乙醇胺、N一甲基二乙醇胺溶液等液胺吸收剂。液胺吸收剂具有吸收速度快、吸收能力强、易于再生等优点，但是液胺吸收一再生技术依然存在投资、运行费用高，设备、管线易腐蚀，吸收剂再生能耗大及吸收剂易降解等缺陷。为克服这些缺陷，高效、低能低成本CO2分离技术如吸附法的开发成为这一领域的研究热点。
吸附法捕集分离CO2有着相对较低的设备费用和操作费用，易于实现自动化操作，而且可以有效解决液胺吸收法的胺液降解腐蚀和泄露的问题，因此，吸附法被认为是一个很有前景的CO2捕集技术。一种良好的吸附剂是CO2捕集分离的关键，应该具备的优点有：吸附容量大、良好的选择性、再生性能好、吸附速率快、具有良好的热稳定性和机械强度等。由于普通吸附剂（活性炭及其他多孔碳基、硅基材料）对其吸附量和选择性都较差，为此，研究者提出以多孔材料为载体，用含氨基功能基团的化合物修饰其表面结构以提高CO2的吸附量和选择性。常用的含氨基功能基团的化合物是有机胺，但由于有机胺的稳定性不高，易氧化降解，影响碳捕集过程的稳定性和经济性。
离子液体是由特定的有机阳离子和有机或无机阴离子组成的在室温或近室温下呈液态的熔盐体系，具有良好的热稳定性和化学稳定性、蒸汽压极低，不易挥发、毒性很低、结构可设计等优势，是一类新型的绿色介质。碱性离子液体是最近出现的一类新型离子液体，这类离子液体不仅具有常规离子液体的物化性质，而且由于其呈现碱性，因此有望作为一类新型的酸性气体（CO2、SO2）的选择性吸收剂。但是由于目前离子液体价格高，粘度大，阻碍了离子液体的大规模应用。因此，将离子液体负载与载体上用于CO2吸附，兼具吸收和吸附的优势，成为解决目前离子液体规模化应用的途径。
CN103058189B公开了采用咪唑类离子液体与沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）吸收/ 吸附耦合的方法捕集二氧化碳。CN102671628B提出了把离子液体直接固载于分子筛笼中的CO2吸附材料制备方法。张华丽等（离子液体改性海泡石及其对二氧化碳的吸附, 非金属矿, 2014, 32(2), 75-78）研究了离子液体改性海泡石及其对二氧化碳的吸附性能。如何提高材料的吸附容量和稳定性仍是技术关键。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于捕集CO2的新型高效稳定的离子液体吸附材料及其应用。
本发明用于捕集CO2的离子液体吸附材料，其特在于通过如下步骤制备：
（1）将表面活性剂在室温下溶解于盐酸，溶液pH 0-4；
（2）将均三甲苯及氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至37-40℃，维持30min以上；
（3）将硅源化合物加入其中并加热至100-120℃维持15h以上，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在400-600℃煅烧8小时以上；
（4）将离子液体溶解于乙醇中，将载体分散于离子液体的乙醇溶液中，并于20~50℃搅拌8~16小时，加热或抽真空除去乙醇后在30~60℃干燥得到离子液体吸附材料；
所述离子液体吸附材料负载的离子液体含量为20wt%-80wt%。
一般地，所述的表面活性剂可以是以下表面活性剂中的一种或多种：非离子表面活性剂为pan80、tween系列，双亲性嵌段共聚物PEO-PPO-PEO系列、Triton系列等；阳离子表面活性剂双（2－乙基己基）琥珀酸酯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷三甲胺等；阴离子表面活性剂十二基硫酸钠等。
所述的硅源化合物为硅酸乙酯、硅酸钠、NaHSi2O5.3H2O中的一种或多种。
所述的表面活性剂与均三甲苯质量用量比例为2:1~1:5。
所述的硅源化合物与表面活性剂质量用量比例为3:1~1:3。
所述的离子液体的阳离子为有机胺盐阳离子、有机醇胺类阳离子的一种或多种；阴离子为具有氨基酸结构的阴离子，氨基酸的结构式为H2N-R-COOH(R＝CnH2n，n＝1～5) 。
本发明的离子液体吸附材料吸附CO2温度为30-130℃。
本发明的离子液体吸附材料适用的气源为CO2分压为5kPa-1MPa。
本发明为固体法捕集CO2，不使用液体溶剂，可克服传统工艺加热再生能耗高、溶液易降解、腐蚀严重等的缺点。本发明提出的离子液体吸附材料具有吸附容量大，稳定性强，不易降解，离子液体用量少、离子液体不流失等优势，同时吸附材料能够在较高温度下具有较大的CO2容量，因此能够有效利用气源的余热，降低能耗。因此在二氧化碳捕集领域具有很好的前景。
具体实施方式
本发明用以下实例说明，但本发明并不限于下述实施例。在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
10 g pan80在室温下溶解于1.5M盐酸，将50 g均三甲苯及100 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至37℃，维持30min。将30g硅酸乙酯加入其中并加热至100℃维持15h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在400℃煅烧16小时。
将一定量四甲基氢氧化铵赖氨酸盐离子液体与载体以质量比1:3分散于乙醇溶液中，并于20℃搅拌16小时。加热或抽真空除去乙醇后在60℃干燥得到离子液体吸附材料。
吸附材料中的离子液体含量及材料稳定性通过热重分析仪（TGA/DTA）研究。材料首先在N2（100%）气氛下加热至110°C来脱除自由态水和预先吸附的CO2。然后在空气（40%）和N2（60%）混合气氛下，以10 °C /min的升温速率加热至1000°C。离子液体含量通过150°C~1000°C温度范围内样品质量的变化计算，为22wt%。离子液体起始分解温度为392°C。
将离子液体吸附材料在1MPa、30°C下吸附CO2，达到平衡后饱和吸附量为102.4mg/g。
实施例2
20 g Pluronic P123在室温下溶解于1M盐酸，将均20 g均三甲苯及200 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至40℃，维持60min。将40g硅酸乙酯加入其中并加热至100℃维持24h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在500℃煅烧8小时。
将一定量正丁铵甘氨酸盐离子液体与载体以质量比6:1分散于乙醇溶液中，并于30℃搅拌8小时。加热或抽真空除去乙醇后在50℃干燥得到离子液体吸附材料。
吸附材料中的离子液体含量及材料稳定性通过热重分析仪（TGA/DTA）研究。材料首先在N2（100%）气氛下加热至110°C来脱除自由态水和预先吸附的CO2。然后在空气（40%）和N2（60%）混合气氛下，以10 °C /min的升温速率加热至1000°C。离子液体含量通过150°C~1000°C温度范围内样品质量的变化计算，为80wt%。离子液体起始分解温度为380°C。
将离子液体吸附材料在5kPa、80°C下吸附CO2，达到平衡后饱和吸附量为93.5mg/g。
实施例3
20 g tween80在室温下溶解于0.001M盐酸，将均10 g均三甲苯及150 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至37℃，维持90min。将30g硅酸钠加入其中并加热至120℃维持24h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在600℃煅烧8小时。
将一定量四己基氢氧化铵苏氨酸盐离子液体与载体以质量比4:1分散于乙醇溶液中，并于50℃搅拌8小时。加热或抽真空除去乙醇后在30℃干燥得到离子液体吸附材料。
吸附材料中的离子液体含量及材料稳定性通过热重分析仪（TGA/DTA）研究。材料首先在N2（100%）气氛下加热至110°C来脱除自由态水和预先吸附的CO2。然后在空气（40%）和N2（60%）混合气氛下，以10 °C /min的升温速率加热至1000°C。离子液体含量通过150°C~1000°C温度范围内样品质量的变化计算，为74wt%。离子液体起始分解温度为378°C。
将离子液体吸附材料在100kPa、120°C下吸附CO2，达到平衡后饱和吸附量为95.6mg/g。
实施例4
15 g十六烷三甲胺在室温下溶解于0.5M盐酸，将均40 g均三甲苯及120 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至37℃，维持120min。将5g NaHSi2O5.3H2O加入其中并加热至100℃维持24h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在500℃煅烧12小时。
将一定量正丙醇铵肌氨酸盐离子液体与载体以质量比5:1分散于乙醇溶液中，并于50℃搅拌8小时。加热或抽真空除去乙醇后在30℃干燥得到离子液体吸附材料。
吸附材料中的离子液体含量及材料稳定性通过热重分析仪（TGA/DTA）研究。材料首先在N2（100%）气氛下加热至110°C来脱除自由态水和预先吸附的CO2。然后在空气（40%）和N2（60%）混合气氛下，以10 °C /min的升温速率加热至1000°C。离子液体含量通过150°C~1000°C温度范围内样品质量的变化计算，为78wt%。离子液体起始分解温度为381°C。
将离子液体吸附材料在30kPa、130°C下吸附CO2，达到平衡后饱和吸附量为84.7mg/g。
实施例5
20 g十二基硫酸钠在室温下溶解于0.05M盐酸，将均20 g均三甲苯及200 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至40℃，维持120min。将20g硅酸钠加入其中并加热至100℃维持24h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在500℃煅烧12小时。
将一定量四乙基氢氧化铵缬氨酸离子液体与载体以质量比2:1分散于乙醇溶液中，并于50℃搅拌8小时。加热或抽真空除去乙醇后在50℃干燥得到离子液体吸附材料。
吸附材料中的离子液体含量及材料稳定性通过热重分析仪（TGA/DTA）研究。材料首先在N2（100%）气氛下加热至110°C来脱除自由态水和预先吸附的CO2。然后在空气（40%）和N2（60%）混合气氛下，以10 °C /min的升温速率加热至1000°C。离子液体含量通过150°C~1000°C温度范围内样品质量的变化计算，为59wt%。离子液体起始分解温度为384°C。
将离子液体吸附材料在15kPa，100°C下吸附CO2，达到平衡后饱和吸附量为64.7mg/g。
实施例6
10 g Triton X-100、10g 十六烷基三甲基溴化铵在室温下溶解于1.5M盐酸，将均20 g均三甲苯及200 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至40℃，维持120min。将20g硅酸乙酯加入其中并加热至100℃维持24h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在500℃煅烧12小时。
将一定量正己铵丙氨酸盐离子液体与载体以质量比3:1分散于乙醇溶液中，并于50℃搅拌8小时。加热或抽真空除去乙醇后在50℃干燥得到离子液体吸附材料。
吸附材料中的离子液体含量及材料稳定性通过热重分析仪（TGA/DTA）研究。材料首先在N2（100%）气氛下加热至110°C来脱除自由态水和预先吸附的CO2。然后在空气（40%）和N2（60%）混合气氛下，以10 °C /min的升温速率加热至1000°C。离子液体含量通过150°C~1000°C温度范围内样品质量的变化计算，为71wt%。离子液体起始分解温度为375°C。
将离子液体吸附材料在15kPa，100°C下吸附CO2，达到平衡后饱和吸附量为79.6mg/g。
实施例7
20 g tween80在室温下溶解于0.001M盐酸，将均10 g均三甲苯及150 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至37℃，维持90min。将30g硅酸钠加入其中并加热至120℃维持24h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在600℃煅烧8小时。
将一定量四己基氢氧化铵苏氨酸盐离子液体与载体以质量比4:1分散于乙醇溶液中，并于50℃搅拌8小时。加热或抽真空除去乙醇后在30℃干燥得到离子液体吸附材料。
吸附材料中的离子液体含量及材料稳定性通过热重分析仪（TGA/DTA）研究。材料首先在N2（100%）气氛下加热至110°C来脱除自由态水和预先吸附的CO2。然后在空气（40%）和N2（60%）混合气氛下，以10 °C /min的升温速率加热至1000°C。离子液体含量通过150°C~1000°C温度范围内样品质量的变化计算，为74wt%。离子液体起始分解温度为378°C。
将离子液体吸附材料在100kPa、120°C下吸附CO2，0kPa、120°C下解吸，循环吸附脱附100次，吸附容量降低3.4%。
对比实施例
20 g tween80在室温下溶解于0.001M盐酸，将均10 g均三甲苯及150 mg氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至37℃，维持90min。将30g硅酸钠加入其中并加热至120℃维持24h，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在600℃煅烧8小时。
将吸附材料在100kPa、120°C下吸附CO2，达到平衡后饱和吸附量为12.7mg/g。

Claims (8)

1.一种用于捕集CO2的离子液体吸附材料，其特在于通过如下步骤制备：
（1）将表面活性剂在室温下溶解于盐酸，溶液pH 0-4；
（2）将均三甲苯及氟化铵加入其中并将混合物在搅拌条件下加热至37-40℃，维持30min以上；
（3）将硅源化合物加入其中并加热至100-120℃维持15h以上，将混合物降温至室温，过滤得到白色固体产物并在空气中干燥并在400-600℃煅烧8小时以上；
（4）将离子液体溶解于乙醇中，将载体分散于离子液体的乙醇溶液中，并于20~50℃搅拌8~16小时，加热或抽真空除去乙醇后在30~60℃干燥得到离子液体吸附材料；
所述离子液体吸附材料负载的离子液体含量为20wt%-80wt%。
2.如权利要求1所述的离子液体吸附材料，其特征在于所述离子液体的阳离子为有机胺盐阳离子、有机醇胺类阳离子的一种或多种，阴离子为具有氨基酸结构的阴离子，氨基酸的结构式为H2N-R-COOH(R＝CnH2n，n ＝1～5) 。
3.如权利要求1所述的离子液体吸附材料，其特征在于所述的表面活性剂是以下表面活性剂中的一种或多种：非离子表面活性剂pan80、tween系列，双亲性嵌段共聚物PEO-PPO-PEO系列、Triton系列；阳离子表面活性剂双（2－乙基己基）琥珀酸酯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷三甲胺等；阴离子表面活性剂十二基硫酸钠。
4.如权利要求1所述的离子液体吸附材料，其特征在于所述的硅源化合物为硅酸乙酯、硅酸钠、NaHSi2O5.3H2O中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的离子液体吸附材料，其特征在于所述的表面活性剂与均三甲苯质量用量比例为2:1~1:5。
6.如权利要求1所述的离子液体吸附材料，其特征在于所述的硅源化合物与表面活性剂质量用量比例为3:1~1:3。
7.根据权利要求1所述离子液体吸附材料的应用，其特征在于吸附CO2温度为30-130℃。
8.根据权利要求1所述离子液体吸附材料的应用，其特征在于适用的气源为CO2分压5kPa-1MPa。
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