CN109261116A - 一种高温吸收二氧化碳的锆酸锂材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温吸收二氧化碳的锆酸锂材料(Li2ZrO3)的制备方法如下：以硝酸氧锆为锆源，以氢氧化锂为锂源，以碳酸根为沉淀剂，在氨水溶液中进行沉淀反应，反应后进行过滤或蒸发除水，然后干燥、焙烧获得锆酸锂吸附材料。本发明提供的锆酸锂吸附剂的制备温度低、工艺操作方便、易于规模化生产，所制得材料纯度高，颗粒均匀细小且结晶度良好，CO2吸收性能优良，生产成本低。

Description

一种高温吸收二氧化碳的锆酸锂材料的制备方法
技术领域
本发明涉及了一种高温吸收二氧化碳的锆酸锂材料的制备方法。该材料针对电厂等排放气中的大量高温二氧化碳气体进行直接吸收，并回收碳资源。
背景技术
近年来，随着经济快速发展，工业化进程加快，CO2排放日益增加，作为主要温室气体的CO2所引发的环境问题引起世界各国的广泛关注。化石燃料的燃烧是CO2的主要排放源，而对于烟道气中排出的高温CO2进行降温回收不仅会严重损失能量，还会增加吸收CO2的成本。因此，针对化石燃料能源的使用过程，高效低成本的二氧化碳捕获和存储技术是急需的。然而研究一种能够在高温下适用的CO2吸附材料更是势在必行。
目前，对于CO2高温吸附剂的研究有很多。钙基吸附剂由于其成本低及来源广被视为高温CO2吸收剂的首选材料，但其存在分解温度高，能耗大等特点，且经多次高温循环后性能下降，影响其在工业中的实际应用。对于锂基吸收剂，不仅具有较好的吸附性能，而且还能在其反应过程中转化为固体便于运输储存，因此锂基吸收剂是一种很有前景的高效吸收剂。其中锆酸锂可以在高温450-700℃之间直接吸收CO2，其吸收量大，吸收速率快，循环稳定性好，有望成为高温CO2气体的吸收材料。
锆酸锂的合成方法有很多，如固相法制备较为简单，但所需反应温度较高，能耗高，效率低；沉淀法所制备所获锆酸锂晶粒尺寸较大且不均匀，脱附温度较高(＞680℃)；溶胶凝胶法所需反应温度低，样品颗粒较小，但仍然含有杂质相。如肖强【肖强，刘叶凤，钟依均等.采用柠檬酸溶胶-凝胶法合成具有改善CO2捕获性能的锆酸锂纳米晶体[J].材料化学杂志，2011，21(11)：3838-3842.】等对比了不同制备方法对锆酸锂吸收CO2的影响。为了更好地研究Li2ZrO3吸附材料的吸附机制，一些研究学者对Li2ZrO3吸附材料进行了动力学的研究。如Jun-ichi Ida【IDA J I，LIN Y S.锆酸锂高温二氧化碳吸附的机理[J].环境科学与技术，2003，37(9)：1999-2004.】等研究了高温条件下锆酸锂的吸附符合双指数模型；Martínezdlcruz L【Martínezdlcruz L，Pfeiffer H.氧添加对锆酸锂吸附二氧化碳热动力学性质的影响[J].工业与工程化学研究，2010，49(19)：9038-9042.】等利用Li2CO3和ZrO2以固相法合成的Li2ZrO3吸附材料，并就不同二氧化碳浓度对其作了静态吸附动力学的研究。
但本领域中，获得锆酸锂吸附剂技术不是合成成本高，就是产品性能差，因此如何低成本获得高性能的锆酸锂吸附剂，是本领域的重要技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本获得高性能锆酸锂吸附剂的制备方法。工艺操作方便、易于规模化生产，所制得材料纯度高，颗粒均匀细小且结晶度良好。
本发明高温吸收二氧化碳的锆酸锂材料(Li2ZrO3)的制备方法如下：以硝酸氧锆为锆源，以氢氧化锂为锂源，以碳酸根为沉淀剂，在氨水溶液中进行沉淀反应，反应后进行过滤或蒸发除水，然后干燥、焙烧获得锆酸锂吸附材料。
本发明方法中，所述氢氧化锂与硝酸氧锆的摩尔比为2∶1～8∶1，干燥在80～120℃下恒温干燥8～14h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末在500～650℃下焙烧4～10h合成锆酸锂材料。干燥气氛为空气气氛、氮气气氛、惰性气体气氛或真空等条件，焙烧气氛为空气气氛、氮气气氛、惰性气体气氛或真空等条件。焙烧温度优选为500～600℃，最优选为520～580℃，更优选为540～560℃。
本发明方法中，碳酸根沉淀剂来源于可溶性碳酸盐，如碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铵、碳酸氢铵等。
本发明方法中，沉淀反应体系的氨水(以NH3计)浓度为0.6～1.0mol/L。
本发明方法中，具体操作过程为：先将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按所需配比称取LiOH·H2O，将LiOH和沉淀剂溶液加入ZrO(NO3)2溶液中，在搅拌下进行反应，所需的氨可以加入沉淀剂溶液中，也可以加入LiOH溶液中，也可以在反应过程中加入反应体系。物料的浓度对反应影响不明显，一般以不影响正常搅拌为宜。
本发明方法制备的锆酸锂吸附剂可以用于高温流化床吸收二氧化碳工艺，解决现有锆酸锂材料存在的烧结温度高及稳定性差等问题。本发明制备方法成本低，CO2吸收性能优良，操作方便、易于规模化生产，所制得材料纯度高，颗粒均匀细小且结晶度良好。该材料针对电厂、烟道气中所排放的大量高温二氧化碳以及化石燃料燃烧过程排放的高温二氧化碳气体进行直接吸收，并回收碳资源，从而起到缓解温室效应的作用。本发明原料廉价易得，以去离子水为介质，降低了锆酸锂材料的制备成本；与此同时合成的锆酸锂颗粒均匀细小，结晶度良好，不含杂质相且具有较好的吸附稳定性，是一种纯度较高的锆酸锂材料，直接吸收CO2以节约能源，减少CO2排放，从而起到保护环境的作用。本发明方法中，以沉淀反应体系中引入小分子氨，使氧化锆与碳酸锂的接触结合更加充分均匀，有利于提高锆酸锂的纯度、结晶度和颗粒均匀性，有利于提高产品的使用性能。
附图说明
图1是本发明Li2ZrO3高温吸碳材料不同锂锆比下CO2吸附量的循环变化曲线。
图2是本发明Li2ZrO3高温吸碳材料不同焙烧温度下CO2吸附量的循环变化曲线。
图3是本发明550℃焙烧后的Li2ZrO3高温吸碳材料在四个不同温度下的等温吸附曲线。
具体实施方式
本发明合成的锆酸锂材料CO2吸收性能测试方法如下：将锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温升温至680℃，使吸附剂在600℃～680℃循环进行CO2的吸收-解吸，此外将样品在吸附温度为600～625℃下恒温保持一段时间进行CO2吸收反应。
下面结合附图及具体实例进一步阐述本发明的实质内容，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1
反应原料为硝酸氧锆、氢氧化锂和碳酸氢铵，在氨溶液中利用沉淀法制备锆酸锂高温吸附剂。将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按反应体系中氨浓度为0.8mol/L加入氨水，按n(Li)/n(Zr)＝2∶1的原料配比称取一定量的LiOH·H2O，室温下将LiOH和碳酸氢铵溶液同时滴入ZrO(NO3)2溶液中，滴定完毕搅拌1h，然后蒸干，将所得物料置于烘箱中，在空气气氛下于100℃下恒温干燥12h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末研磨均匀后，放入管式炉，以5℃/min的升温速率升高到550℃，保温6h，即可得到锆酸锂材料。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，图1可以看出循环后得到CO2的吸收容量为2.7wt％。
实施例2
反应原料为硝酸氧锆、氢氧化锂和碳酸氢钠，在氨溶液中利用沉淀法制备锆酸锂高温吸附剂。将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按反应体系中氨浓度为0.8mol/L加入氨水，按n(Li)/n(Zr)＝3∶1的原料配比称取一定量的LiOH·H2O，室温下将LiOH和碳酸氢铵溶液同时滴入ZrO(NO3)2溶液中，滴定完毕搅拌1h，然后蒸干，将所得物料置于烘箱中，在空气气氛下于100℃下恒温干燥12h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末研磨均匀后，放入管式炉，以5℃/min的升温速率升高到550℃，保温6h，即可得到锆酸锂材料。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，图1可以看出循环后得到CO2的吸收容量为4.7wt％。
实施例3
反应原料为硝酸氧锆、氢氧化锂和碳酸氢铵，在氨溶液中利用沉淀法制备锆酸锂高温吸附剂。将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按反应体系中氨浓度为0.8mol/L加入氨水，按n(Li)/n(Zr)＝6∶1的原料配比称取一定量的LiOH·H2O，室温下将LiOH和碳酸氢铵溶液同时滴入ZrO(NO3)2溶液中，滴定完毕搅拌1h，然后蒸干，将所得物料置于烘箱中，在空气气氛下于100℃下恒温干燥12h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末研磨均匀后，放入管式炉，以5℃/min的升温速率升高到550℃，保温6h，即可得到锆酸锂材料。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，图1可以看出循环后得到CO2的吸收容量为6.3wt％。
对比例1
按实施例3的方法，反应过程不引入氨，其它与实施例3相同。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，循环后得到CO2的吸收容量为2.4wt％。
实施例4
反应原料为硝酸氧锆、氢氧化锂和碳酸氢铵，在氨溶液中利用沉淀法制备锆酸锂高温吸附剂。将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按反应体系中氨浓度为0.7mol/L加入氨水，按n(Li)/n(Zr)＝8∶1的原料配比称取一定量的LiOH·H2O，室温下将LiOH和碳酸氢铵溶液同时滴入ZrO(NO3)2溶液中，滴定完毕搅拌1h，然后蒸干，将所得物料置于烘箱中，在空气气氛下于100℃下恒温干燥12h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末研磨均匀后，放入管式炉，以5℃/min的升温速率升高到550℃，保温6h，即可得到锆酸锂材料。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，图1和图2均可以看出循环后得到CO2的吸收容量为8.1wt％。
实施例5
反应原料为硝酸氧锆、氢氧化锂和碳酸氢铵，在氨溶液中利用沉淀法制备锆酸锂高温吸附剂。将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按反应体系中氨浓度为0.9mol/L加入氨水，按n(Li)/n(Zr)＝8∶1的原料配比称取一定量的LiOH·H2O，室温下将LiOH和碳酸氢铵溶液同时滴入ZrO(NO3)2溶液中，滴定完毕搅拌1h，然后蒸干，将所得物料置于烘箱中，在空气气氛下于100℃下恒温干燥12h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末研磨均匀后，放入管式炉，以5℃/min的升温速率升高到500℃，保温6h，即可得到锆酸锂材料。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，图2可以看出循环后得到CO2的吸收容量为6.4wt％。
实施例6
反应原料为硝酸氧锆、氢氧化锂和碳酸氢铵，在氨溶液中利用沉淀法制备锆酸锂高温吸附剂。将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按反应体系中氨浓度为0.8mol/L加入氨水，按n(Li)/n(Zr)＝8∶1的原料配比称取一定量的LiOH·H2O，室温下将LiOH和碳酸氢铵溶液同时滴入ZrO(NO3)2溶液中，滴定完毕搅拌1h，然后蒸干，将所得物料置于烘箱中，在空气气氛下于100℃下恒温干燥12h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末研磨均匀后，放入管式炉，以5℃/min的升温速率升高到600℃，保温6h，即可得到锆酸锂材料。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，图2可以看出循环后得到CO2的吸收容量为7.4wt％。
实施例7
反应原料为硝酸氧锆、氢氧化锂和碳酸氢铵，在氨溶液中利用沉淀法制备锆酸锂高温吸附剂。将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按反应体系中氨浓度为0.8mol/L加入氨水，按n(Li)/n(Zr)＝8∶1的原料配比称取一定量的LiOH·H2O，室温下将LiOH和碳酸氢铵溶液同时滴入ZrO(NO3)2溶液中，滴定完毕搅拌1h，然后蒸干，将所得物料置于烘箱中，在空气气氛下于100℃下恒温干燥12h得到锆酸锂前驱体，将得到的前驱体粉末研磨均匀后，放入管式炉，以5℃/min的升温速率升高到650℃，保温6h，即可得到锆酸锂材料。
将合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，将样品由室温以5℃/min的速率升温至680℃，再以同样的速率降温至600℃，然后再升温至680℃，如此循环8次，使吸附剂在600℃～680℃范围内进行CO2的吸收-解吸反应，图2可以看出循环后得到CO2的吸收容量为6.1wt％。
实施例8
由以上实例及图1可以看出，经550℃焙烧且n(Li)/n(Zr)＝8∶1的锆酸锂材料对CO2具有较强的吸附性，因此在该比例和焙烧温度下利用动力学分析对此作了进一步的解析。
将实施例4合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，以5℃/min的升温速率从室温升高到600℃，并在此温度下恒温保持一段时间，检测其对二氧化碳的吸附能力，图3可以看出达到吸收平衡后其吸收容量为8.42wt％。
实施例9
将将实施例4合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，以5℃/min的升温速率从室温升高到605℃，并在此温度下恒温保持一段时间，检测其对二氧化碳的吸附能力，图3可以看出达到吸收平衡后其吸收容量为8.86wt％。
实施例10
将将实施例4合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，以5℃/min的升温速率从室温升高到610℃，并在此温度下恒温保持一段时间，检测其对二氧化碳的吸附能力，图3可以看出达到吸收平衡后其吸收容量为9.29wt％。
实施例11
将将实施例4合成的锆酸锂材料置于热重分析仪中，在CO2∶N2＝1∶7摩尔比的气氛中，以5℃/min的升温速率从室温升高到620℃，并在此温度下恒温保持一段时间，检测其对二氧化碳的吸附能力，图3可以看出达到吸收平衡后其吸收容量为7.98wt％。

Claims (9)

1.一种高温吸收二氧化碳的锆酸锂材料的制备方法，其特征在于：以硝酸氧锆为锆源，以氢氧化锂为锂源，以碳酸根为沉淀剂，在氨水溶液中进行沉淀反应，反应后进行过滤或蒸发除水，然后干燥、焙烧获得锆酸锂吸附材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：氢氧化锂与硝酸氧锆的摩尔比为2∶1～8∶1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：干燥在80～120℃下干燥8～14h得到锆酸锂前驱体。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：焙烧过程为将干燥得到的前驱体粉末在500～650℃下焙烧4～10h合成锆酸锂材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：碳酸根沉淀剂来源于可溶性碳酸盐。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：碳酸根沉淀剂来源于碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铵或碳酸氢铵。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：沉淀反应体系以NH3计的氨水浓度为0.6～1.0mol/L。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：沉淀反应具体操作过程为：先将ZrO(NO3)2溶于去离子水中，按所需配比称取氢氧化锂，将氢氧化锂和沉淀剂溶液加入ZrO(NO3)2溶液中，在搅拌下进行反应。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：反应所需的氨加入沉淀剂溶液中，或加入LiOH溶液中，或在反应过程中加入反应体系。
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