CN107952415A - 一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法；1、将壳聚糖粉末采用环氧丙基三甲基氯化铵进行季胺化；2、将季胺化壳聚糖溶于饱和碳酸钠溶液中搅拌并加入丙酮使沉淀完全析出，过滤、干燥得到负载有碳酸根的季胺化壳聚糖；3、负载有碳酸根的季胺化壳聚糖溶于水中，加入氧化石墨烯并超声处理；随后搅拌并装入玻璃瓶中在室温下静置；4、将装有溶液的玻璃瓶放入液氮中冰冻，然后移入冻干机中冻干得到壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶；本发明制备方法中壳聚糖成本低廉；加入氧化石墨烯后制备成复合气凝胶，具有大比表面积的优点，可提高二氧化碳吸附性能；同时以碳酸根为活性官能团吸附二氧化碳，可以通过控制湿度实现吸附剂的再生，具有再生能耗低的优点。

Description

一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳吸附剂的制备方法，具体涉及一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法。
背景技术
大量研究表明，全球二氧化碳浓度升高与气候变暖、海水酸化等环境问题有密切联系，研发新型的二氧化碳吸附剂是解决二氧化碳问题的重中之重。
壳聚糖可以通过自然界中广泛存在的甲壳素脱乙酰化制备。壳聚糖支链含有羟基、胺基等官能团，易于进行化学枝接改性，比如季胺化。季胺基团带正电荷，可以吸引带负电荷的碳酸根。由于含有胺基，所以壳聚糖可以直接吸附二氧化碳，但是由于比表面积较低，所以吸附性能差。同时，胺基和二氧化碳结合力较强，所以必须在较高温度下才能实现解吸附，吸附剂再生能耗高。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法，通过壳聚糖的季胺化使其可以负载碳酸根，碳酸根在纳米孔洞约束下的水解反应是可逆的，并且可以通过控制湿度来控制可逆反应进行的方向，从而实现依靠控制湿度实现二氧化碳的吸附与解吸附；通过与氧化石墨烯混合制备复合气凝胶，提高其比表面积，从而提高吸附性能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，将壳聚糖粉末加入去离子水中并搅拌均匀成悬浮液，然后滴加乙酸并搅拌30分钟至壳聚糖完全溶解；然后在100rpm搅拌下逐渐加入环氧丙基三甲基氯化铵，环氧丙基三甲基氯化铵与壳聚糖摩尔比为6:1。反应在55℃油浴下持续18小时，得到季胺化壳聚糖溶液；上述溶液经离心洗涤去除未反应的壳聚糖固体；加入甲醇去除未反应的环氧丙基三甲基氯化铵，随后加入丙酮，直至季胺化壳聚糖完全沉淀析出；
步骤二，按照1g:100ml的比例，将季胺化壳聚糖溶于饱和碳酸钠溶液中，搅拌2～4小时，加入丙酮使沉淀完全析出，过滤、干燥得到负载有碳酸根的季胺化壳聚糖；
步骤三，负载有碳酸根的季胺化壳聚糖溶于水中，加入氧化石墨烯并超声20分钟，得到溶液，负载有碳酸根的季胺化壳聚糖与氧化石墨烯的质量比为4:1；随后机械搅拌2～4小时；然后将溶液装入玻璃瓶中在室温下静置2天；
步骤四，将装有溶液的玻璃瓶放入液氮中20分钟，然后移入冷冻干燥机中，冷冻干燥机温度为‐40℃～‐55℃，经过24小时冻干得到气凝胶，即为壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶；该壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶在低湿度下吸附二氧化碳，并且在高湿度下解吸附二氧化碳实现再生。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)制备方法中原材料之一壳聚糖可大量获得，成本相对低廉。
(2)通过与氧化石墨烯混合制备复合气凝胶，制备成的气凝胶相比壳聚糖，比表面积大大提高，可以提高二氧化碳吸附性能。
(3)同时以碳酸根为活性官能团吸附二氧化碳，可以通过控制湿度实现吸附剂的再生，具有再生能耗低的优点。
附图说明
图1为对壳聚糖基二氧化碳吸附剂进行二氧化碳吸附与解吸附测试的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法，包括如下步骤，
步骤一，将5g壳聚糖加入190ml去离子水中并搅拌均匀，然后滴加1ml乙酸并搅拌30分钟至壳聚糖完全溶解。然后在100rpm搅拌下逐渐加入25g环氧丙基三甲基氯化铵,反应在55℃油浴下持续18小时，得到季胺化壳聚糖溶液。上述溶液在4000rpm下离心洗涤3次去除未反应的壳聚糖固体。加入20ml甲醇去除未反应的环氧丙基三甲基氯化铵，随后加入20ml丙酮，使季胺化壳聚糖完全沉淀析出。
步骤二，称取2g季胺化壳聚糖溶于200ml饱和碳酸钠溶液中，搅拌2小时，加入50ml丙酮有沉淀析出，过滤、干燥得到负载有碳酸根的季胺化壳聚糖。
步骤三，称取0.8g负载有碳酸根的季胺化壳聚糖溶于水中，加入0.2g氧化石墨烯并超声20分钟，得到溶液，随后机械搅拌2小时。然后将溶液装入玻璃瓶中在室温下静置2天。
步骤四，将装有溶液的玻璃瓶放入液氮中20分钟，然后移入冷冻干燥机中，冷冻干燥机中温度为-45℃，经过24小时冻干得到气凝胶，该气凝胶即为壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶。
实施例2
本实施例一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法，包括如下步骤，
步骤一，将2.5g壳聚糖加入95ml去离子水中并搅拌均匀，然后滴加0.5ml乙酸并搅拌30分钟至壳聚糖完全溶解。然后在100rpm搅拌下逐渐加入12.5g环氧丙基三甲基氯化铵,反应在55℃油浴下持续18小时，得到季胺化壳聚糖溶液。上述溶液在4000rpm下离心洗涤3次去除未反应的壳聚糖固体。加入10ml甲醇去除未反应的环氧丙基三甲基氯化铵，随后加入10ml丙酮，使季胺化壳聚糖完全沉淀析出。
步骤二，称取1g季胺化壳聚糖溶于100ml饱和碳酸钠溶液中，搅拌4小时，加入25ml丙酮有沉淀析出，过滤、干燥得到负载有碳酸根的季胺化壳聚糖。
步骤三，称取0.4g负载有碳酸根的季胺化壳聚糖溶于水中，加入0.1g氧化石墨烯并超声30分钟，得到溶液，随后机械搅拌4小时。然后将溶液装入玻璃瓶中在室温下静置2天；
步骤四，将装有溶液的玻璃瓶放入液氮中20分钟，然后移入冷冻干燥机中，冷冻干燥机中温度为-55℃，经过24小时冻干得到气凝胶，该气凝胶即为壳聚糖基二氧化碳吸附剂。
图1为对壳聚糖基二氧化碳吸附剂进行二氧化碳吸附与解吸附测试的测试结果。图中正方形数据点为二氧化碳浓度，三角形数据点为空气湿度。将壳聚糖基二氧化碳吸附剂在干燥空气中吸附二氧化碳饱和后，放入充满空气的密封腔内。增加密封腔的湿度，壳聚糖基二氧化碳吸附剂开始解吸附二氧化碳，密封腔内的二氧化碳浓度迅速升高；降低密封腔内湿度，壳聚糖基二氧化碳吸附剂又开始吸附二氧化碳，密封腔内二氧化碳浓度迅速降低。测试结果说明壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶可以在低湿度下吸附二氧化碳，并且在高湿度下可以解吸附二氧化碳实现再生。同时测试结果也表明其二氧化碳吸附能力没有衰减。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤一，将壳聚糖粉末加入去离子水中并搅拌均匀成悬浮液，然后滴加乙酸并搅拌30分钟至壳聚糖完全溶解；然后在100rpm搅拌下逐渐加入环氧丙基三甲基氯化铵，环氧丙基三甲基氯化铵与壳聚糖摩尔比为6:1。反应在55℃油浴下持续18小时，得到季胺化壳聚糖溶液；上述溶液经离心洗涤去除未反应的壳聚糖固体；加入甲醇去除未反应的环氧丙基三甲基氯化铵，随后加入丙酮，直至季胺化壳聚糖完全沉淀析出；
步骤二，按照1g:100ml的比例，将季胺化壳聚糖溶于饱和碳酸钠溶液中，搅拌2～4小时，加入丙酮使沉淀完全析出，过滤、干燥得到负载有碳酸根的季胺化壳聚糖；
步骤三，负载有碳酸根的季胺化壳聚糖溶于水中，加入氧化石墨烯并超声20分钟，得到溶液，负载有碳酸根的季胺化壳聚糖与氧化石墨烯的质量比为4:1；随后机械搅拌2～4小时；然后将溶液装入玻璃瓶中在室温下静置2天；
步骤四，将装有溶液的玻璃瓶放入液氮中20分钟，然后移入冷冻干燥机中，冷冻干燥机温度为-40℃～-55℃，经过24小时冻干得到气凝胶，即为壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶；该壳聚糖基二氧化碳吸附气凝胶在低湿度下吸附二氧化碳，并且在高湿度下解吸附二氧化碳实现再生。
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