CN106747606A - 一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：(1)备料；(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在75‑85℃条件下搅拌2‑4h，形成透明溶胶；(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，得混合料，随后加入水玻璃，其中水玻璃的加入量占混合料的1‑15wt％，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在300‑400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为1‑2h，随后在550‑650摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为1‑2h，随后在700‑850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为1‑2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。

Description

一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法
技术领域
本发明属于二氧化碳吸附剂领域，特别涉及一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法。
背景技术
二氧化碳吸附剂是现在进行化学吸附的常见原料，也未为了解决温室效应现在的主流方式。而现在关于二氧化碳的吸附剂有很多，但是单一成分的吸附效率一般比较差，所以现在一般都会研究离子掺杂型的二氧化碳吸附剂。
如中国建材国际工程集团有限公司在CN201310552064.8中公开一种可在高温下直接吸附CO2的Na掺杂硅酸锂陶瓷材料的制备方法。采用固相反应法，以石英砂和Li2CO3为反应原料，同时以Na2CO3为掺杂源，石英砂、碳酸锂、碳酸钠按照摩尔比(0.9～0.99)：2：(0.01～0.1)进行配料混合，通过高温烧结得到高吸附率的Na掺杂硅酸锂陶瓷材料；与现有技术相比，所制备的Na掺杂硅酸锂陶瓷材料的CO2吸附率高，能耗低，工艺重复性高，为工业化生产提供一定的研究基础。
北京交通大学在CN201310538269.0中公开了属于温室效应中减排技术领域的一种高温二氧化碳吸附剂及其制备方法。本发明以SiO2和Li2CO3为原料，同时以碳酸钠和碳酸钾为掺杂物，通过混料、高温烧结即可得到Na、K元素共掺杂的硅酸锂陶瓷材料。本发明所制备的硅酸锂材料吸收二氧化碳的性能稳定，重复率使用较高，易于工业化生产。
但是现有技术中关于掺杂型的二氧化碳吸附剂的研究还是停留在简单的钾钠离子掺杂的过程中，其吸附效果还有待于提高。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，研制出一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，该方法所制备出来的二氧化碳吸附剂，颗粒尺寸较小，具有中空和微孔相结合的多维度微观结构，陶瓷材料比表面积较高，材料活性高，吸附二氧化碳能力强。
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在75-85℃条件下搅拌2-4h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，得混合料，随后加入水玻璃，其中水玻璃的加入量占混合料的1-15wt％，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在300-400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为1-2h，随后在550-650摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为1-2h，随后在700-850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为1-2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
作为优选，所述酸性催化剂为柠檬酸。
作为优选，所述多孔碳的比表面积为3000～4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。
作为优选，锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：(2-2.1)。
作为优选，在步骤(2)中，优选在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶。
作为优选，一次烧结温度为400℃，二次烧结的温度为600℃；三次烧结的温度为790℃。
作为优选，水玻璃的加入量占混合料的7wt％。
一种Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷，采用上述的方法制备所得。
一种如上述Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷，所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.15-6.75m2/g。
本发明的有益效果：
本发明通过简单的制备工艺，该方法所制备出来的二氧化碳吸附剂，颗粒尺寸较小，具有中空和微孔相结合的多维度微观结构，陶瓷材料比表面积较高，材料活性高，吸附二氧化碳能力强。
具体体现如下：为了构筑多维度围观结构的多孔材料，本发明在传统的溶胶凝胶法的基础上，对其进行较大程度的改进，具体体现在，第一，采用模板剂；第二，采用多孔碳；通过模板剂PEG20000和多孔碳在溶胶凝胶法体系中的应用，结合对于该制备工艺的整体调配，最终获得颗粒尺寸较小，具有中空和微孔相结合的多维度微观结构，陶瓷材料比表面积较高，材料活性高，吸附二氧化碳能力强的吸附剂陶瓷。
在溶胶凝胶法中，综合考虑该体系的制备过程，选择PEG20000优化该体系的溶胶过程，其与锆源、锂源、催化剂、结合剂相结合，在氨水的加入下，得到了透明的溶胶；奠定了溶胶凝胶法的基础；而在凝胶形成过程中，加入促凝剂，一方面促进凝胶过程；另外一方面也有利于和有机模板剂的相结合，形成更为稳定的凝胶体系。
而在陶瓷制备过程中，本发明创造性的加入了活性炭，而对于该成型体系，通过三次烧结工艺，第一次烧结较好的去除模板剂等有机分子，形成微孔；第二次烧结较好的去除活性炭等成分，使得体系初步形成三维结构体系；第三次烧结，形成吸附剂陶瓷材料。
同时，在单一组分的二氧化碳吸附剂的基础上，本发明在现有技术的K，Na掺杂的基础上，创造性的选择了水玻璃。水玻璃在其中起到多重作用，水玻璃提供一种Na离子，对于该吸附剂陶瓷进行掺杂；通过钠离子的掺杂，使得二氧化碳的吸附效率相比于未掺杂的体系，其吸附效率有了大幅提升，最高可达36.75wt％。而水玻璃对于整个吸附剂陶瓷的体系也有着重要的作用，水玻璃可以起到粘结剂的作用，且也可以促进原料的烧结，最重要的是，通过在表面对于目标吸附剂的粘结，使得最终的掺杂离子尽可能使留在陶瓷的表面，有利于提高掺杂离子的利用率。
本发明的制备工艺简单，可以实现产业化的生产。
附图说明
图1是本发明优选实施例1的吸附曲线图；
具体实施方式
下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，随后加入水玻璃，其中水玻璃的加入量占混合料的7wt％，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为2h，随后在790摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
水玻璃的加入量占混合料的7wt％。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.75m2/g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为36.75wt％(参见图1)。
实施例2：
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为2h，随后在850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2。
水玻璃的加入量占混合料的7wt％。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.69m2/g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为33.9wt％。
实施例3：
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为2h，随后在900摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
水玻璃的加入量占混合料的7wt％。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.7m2/g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为34.2wt％。
实施例4：
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为2h，随后在850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
水玻璃的加入量占混合料的7wt％。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.15m2/g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为33.1wt％。
实施例5：
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为2h，随后在850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。水玻璃的加入量占混合料的7wt％。
锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为5.7m2/g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为32.4wt％。
实施例6
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，随后加入水玻璃，其中水玻璃的加入量占混合料的7wt％，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为2h，随后在790摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
水玻璃的加入量占混合料的15wt％。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.75m2/g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为35.5wt％。
实施例7
一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，随后加入水玻璃，其中水玻璃的加入量占混合料的7wt％，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为2h，随后在600摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为2h，随后在790摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
所述酸性催化剂为柠檬酸。
所述多孔碳的比表面积为4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：2.1。
水玻璃的加入量占混合料的1wt％。
所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.75m2/g。在550℃下，CO2分压为0.8bar的条件下，测试其20min内基本达到平衡，平衡吸附量为36.10wt％。
实施例8
一种模板法制备二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为八水合氧氯化锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为聚丙烯酰胺；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，再次研磨，随后进行冷等静压成型，成型后，在350。

Claims (9)

1.一种模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
(1)备料，锆源为硝酸氧锆，锂源为硝酸锂；催化剂为酸性催化剂；碱液为氨水；结合剂为丙三醇；促凝剂为环氧丙烷；模板剂为PEG20000；
(2)将锆源、锂源、催化剂、结合剂，模板剂按照一定配比溶解到去离子水中，随后缓慢加入碱液，在75-85℃条件下搅拌2-4h，形成透明溶胶；
(3)随后升高温度至85℃，加入促凝剂，得到凝胶前驱体；
(4)将锆酸锂前驱体在研钵中研磨分散，加入活性炭，得混合料，随后加入水玻璃，其中水玻璃的加入量占混合料的1-15wt％，再次研磨，随后进行热压成型，成型后，在300-400摄氏度下进行一次烧结，烧结时间为1-2h，随后在550-650摄氏度下进行二次烧结，烧结时间为1-2h，随后在700-850摄氏度下进行三次烧结，烧结时间为1-2h，得到Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷。
2.一种如权利要求1所述的模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，其特征在于：所述酸性催化剂为柠檬酸。
3.一种如权利要求1或2所述的模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，其特征在于：所述多孔碳的比表面积为3000～4500m2/g，平均孔径为50nm，孔洞呈三维结构。
4.一种如权利要求1或2所述的模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，其特征在于：锆源、锂源的摩尔，以Zr和Li计，摩尔比为1：(2-2.1)。
5.一种如权利要求1或2所述的模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，其特征在于：在步骤(2)中，优选在80℃条件下搅拌3h，形成透明溶胶。
6.一种如权利要求1或2所述的模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，其特征在于：一次烧结温度为400℃，二次烧结的温度为600℃；三次烧结的温度为790℃。
7.一种如权利要求1或2所述的模板法制备Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷的方法，其特征在于：水玻璃的加入量占混合料的7wt％。
8.一种Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷，其特征在于，采用权利要求1-6所述的方法制备所得。
9.一种如权利要求7所述的Na掺杂二氧化碳吸附剂陶瓷，其特征在于，所述锆酸锂的晶型为四方相锆酸锂，N2吸附结果显示材料的比表面积为6.15-6.75m2/g。
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