CN108525637B - 一种碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂的方法，该方法以无机钙源前驱体和惰性载体前驱体与有机碳源在水溶液中均匀混合，再对混合液进行干燥得到固体粉末，最后对固体粉末进行碳化‑煅烧制备出金属骨架结构的纳米复合钙基二氧化碳吸附剂。本发明合成的钙基二氧化碳吸附剂具有吸附速率快、吸附容量高、动力学限制弱和循环稳定性好的特征，且添加的有机碳源用量少，来源广泛、廉价，制备过程简单，能有效解决现有钙基二氧化碳吸附剂存在的颗粒易团聚和烧结的问题，提高了其对二氧化碳的吸附容量和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及及一种用于高温捕获二氧化碳的CaO材料的改性制备方法，具体涉及一种碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂及其制备方法。
背景技术
化石燃料燃烧带来的大规模二氧化碳排放引发了日益明显的温室效应，燃煤电厂是最主要的长期稳定排放源，控制和减少燃煤烟气二氧化碳是缓解温室效应的重要途径。由于燃煤烟气温度较高，研发高温下可直接捕获二氧化碳的高效吸附剂，能避免降温处理，减少二氧化碳捕集分离过程中的能量损失。
研究中高温钙基吸附剂由于有原料广泛、理论循环吸附量高、吸附二氧化碳速率快，具有好的工业应用前景等特点受到了越来越多的关注。然而自然界的二氧化碳吸附剂前驱体如石灰石，虽初始循环吸附量较高，但在高温再生过程中容易引起吸附剂的烧结，造成吸附量会随着循环次数的增加而急速下降。
为了改善这种状况，研究人员采用减小CaO颗粒粒径和添加抗烧结的氧化物等方法来提高其循环性能。研究显示随着CaO粒径减小，吸附剂活性明显改善，尤其是纳米CaO颗粒，比表面积急剧增加，吸附二氧化碳速率加快，转化率提高。采用有机酸钙作为钙源，煅烧过程会释放大量有机物和二氧化碳制备出多孔高活性的小颗粒吸附剂，但颗粒尺寸主要处于微米级且有机酸钙成本较高。常规共沉淀法和溶胶-凝胶法可合成纳米CaO颗粒，但其制备流程和原理较为复杂，成本复杂，其工业化应用受到限制。纳米多孔结构的CaO颗粒虽具有高性能的优点，但其颗粒易团聚和烧结。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明提供了一种碳模板改性钙基吸附剂的方法，改性成本较低且改性后吸附剂为纳米颗粒，掺杂惰性载体后能行成金属骨架，提高了对二氧化碳的吸附容量和稳定性。
本发明的技术方案是：
一种碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂的方法，包括步骤：
S1：将无机钙源和惰性载体前驱体置于盛有去离子水的容器中，再将碳源加入所述容器中，恒温搅拌后得混合液；S2：将所述混合液恒温干燥后得烘干样品；S3：将所述烘干样品在N2气氛中升温至500℃-700℃的碳化温度，恒温碳化后得到带碳模板的混合物；S4：将所述带碳模板的混合物在空气气氛中升温至800℃，恒温煅烧2小时后自然冷却至室温得到改性后的钙基二氧化碳吸附剂。
优选的，所用无机钙源为硝酸钙和/或碳酸钙。
优选的，所用惰性载体前驱体为硝酸镁、硝酸铝、硝酸锆和硝酸铈中的至少一种。
优选的，所用惰性载体前驱体中的金属离子与钙离子的摩尔比为1：9。
优选的，所用碳源为葡萄糖酸、葡萄糖、蔗糖和淀粉中的至少一种。
优选的，所用碳源摩尔量为生成同摩尔量葡萄糖酸钙所需葡萄糖酸碳源摩尔量的1/4。
由上述碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂的方法所制备的改性钙基二氧化碳吸附剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.制备过程方便，所制备的钙基二氧化碳吸附剂形貌结构均匀，孔隙丰富，吸附容量和循环稳定性优于直接空气煅烧法所制备的钙基二氧化碳吸附剂；
2.吸附剂制备过程中可选的碳源为葡萄糖酸、葡萄糖、蔗糖和淀粉，碳源量加入较少且可控；
3.钙源前驱体比有机酸钙前驱体成本低廉，且硝酸钙易溶于水，制备过程中混合更均匀，制备的吸附剂效果更优。
4.钙基二氧化碳吸附剂制备过程加入惰性载体前驱体和硝酸镁、硝酸铝、硝酸锆和硝酸铈，循环稳定性高。
附图说明
图1为实验3制备的钙基二氧化碳吸附剂材料煅烧后和循环后的SEM图，其中，左图为煅烧后，右图为循环后；
图2为实验8制备的钙基二氧化碳吸附剂材料碳化和煅烧后的SEM图，其中，左图为碳化后，右图为煅烧后；
图3为实验1、实验2所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；
图4为实验8、实验9、实验10、实验13所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；
图5为实验3、实验4、实验5、实验6、实验7所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；
图6为实验9、实验11、实验12所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；
图7为实验9、实验14所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图。
具体实施方式：
下面参照附图对本发明做进一步描述。
实施例1
一种碳模板改性钙基二氧化碳吸附剂的方法，包括步骤：
将硝酸钙放入盛有100ml去离子水的烧杯中在磁力搅拌器中加热搅拌，再称取葡萄糖酸放入烧杯中溶解，恒温80℃搅拌6h得混合液；
将混合液放入烘干箱中70℃过夜烘干得烘干样品；
将烘干样品在N2气氛中以10℃/min速率升温至500℃-700℃的碳化温度并保温碳化；
将碳化后的样品在空气气氛中以10℃/min速率升温至800℃，恒温煅烧2小时，自然冷却至室温后得到改性后的金属骨架结构的纳米复合钙基二氧化碳吸附剂。
为验证本方法改性后的钙基二氧化碳吸附剂的性能，所做对比实验如下：
实验1
将本方法改性后的钙基二氧化碳吸附剂样品放在热重分析仪上进行循环吸附脱附实验。称5mg改性后的钙基二氧化碳吸附剂于坩埚中，在N2气氛中，以15℃/min的速率升温到600℃，切换15vol％二氧化碳的混合气氛，保温20min，再切换100％N2气氛，以15℃/min的速率升温到850℃，保温5min以保证吸附剂完全再生，接着再以15℃/min的速率降温到700℃，循环重复10次。
实验2
实验2的实验步骤与实验1相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程不经历N2气氛碳化过程，而是在空气中直接升温到800℃煅烧两小时。
实验3
实验3的实验步骤与实验1相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程将硝酸钙换为硝酸钙和硝酸镁混合物，其中Ca：Mg摩尔比为9:1。
实验4
实验4的实验步骤与实验3相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程不经历N2气氛碳化过程，而是在空气中直接升温到800℃煅烧两小时。
实验5
实验5的实验步骤与实验3相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中硝酸镁换为硝酸铝。
实验6
实验6的实验步骤与实验3相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中硝酸镁换为硝酸锆。
实验7
实验7的实验步骤与实验3相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中硝酸镁换为硝酸铈。
实验8
实验8的实验步骤与实验1相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中碳源为葡萄糖。
实验9
实验9的实验步骤与实验1相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中碳源为蔗糖。
实验10
实验10的实验步骤与实验1相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中碳源为淀粉。
实验11
实验11的实验步骤与实验9相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中碳化温度为500℃。
实验12
实验12的实验步骤与实验9相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中碳化温度为700℃。
实验13
实验13的实验步骤与实验8相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中无机钙源为碳酸钙。
实验14
实验14的实验步骤与实验3相同，区别在于钙基二氧化碳吸附剂的制备过程中碳源为蔗糖。
将上述实验的结果制成图表1-7进行对比，其中，图1为实验3制备的钙基二氧化碳吸附剂材料煅烧后和循环后的SEM图；图2为实验8制备的钙基二氧化碳吸附剂材料碳化和煅烧后的SEM图；图3为实验1、实验2所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；图4为实验8、实验9、实验10、实验13所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；图5为实验3、实验4、实验5、实验6、实验7所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；图6为实验9、实验11、实验12所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图；图7为实验9、实验14所制备的钙基二氧化碳吸附剂材料的吸附性能对比图。可见，实验1中所制备的钙基二氧化碳吸附剂具备金属骨架结构，形貌结构更为均匀且孔隙丰富，吸附容量高，稳定性更好。
Claims (3)
1.一种碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂的方法，其特征在于，包括步骤：
S1：将无机钙源硝酸钙和惰性载体前驱体硝酸镁置于盛有去离子水的容器中，再将碳源加入所述容器中，恒温搅拌均匀后得混合液，并将所述混合液恒温干燥后得烘干样品；所述惰性载体前驱体中的金属离子与钙离子的摩尔比为1：9；所述碳源为葡萄糖酸、葡萄糖、蔗糖和淀粉中的至少一种；
S2：将所述烘干样品在N2气氛中升温至500℃-700℃的碳化温度，恒温碳化后得到带碳模板的混合物；
S3：将所述带碳模板的混合物在空气气氛中升温至800℃的煅烧温度，恒温煅烧2小时后自然冷却至室温得到改性后的钙基二氧化碳吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂的方法，其特征在于，所述碳源摩尔量为生成同摩尔量葡萄糖酸钙所需葡萄糖酸碳源摩尔量的1/4。
3.由权利要求1或2所述的一种碳模板法改性钙基二氧化碳吸附剂的方法所制备的改性钙基二氧化碳吸附剂。
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