CN109420478A - 一种用于脱除烟气中co2的磁性固体吸附剂 - Google Patents

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Abstract

本发明属于烟气CO2脱除技术领域，涉及一种脱除烟气中CO2的磁性固体吸附剂。磁性固体吸附剂是以纳米级磁性固体为载体，有机胺为负载物。纳米级磁性固体载体是具有核/壳结构，大小在200nm‑300nm左右的SiO2/Fe3O4、Al2O3/Fe3O4磁性微球。其中Fe3O4具有磁性，在Fe3O4表面包裹具有较大比表面积的SiO2和Al2O3，有机胺通过浸渍法负载在SiO2和Al2O3上，形成磁性固体吸附剂。本发明可以均匀分散在水溶液中，可在常用的溶剂脱碳装置上使用，具有吸附速度快，吸附容量大，再生能耗低、吸附剂便于回收、不易损失等特点。

Description

一种用于脱除烟气中CO2的磁性固体吸附剂
技术领域
本发明属于气体净化和环保技术领域，涉及一种从烟气中脱除CO2的磁性固体吸附剂。
背景技术
烟气中二氧化碳的捕集分离是目前全球广泛关注的研究热点，各种新的技术不断被提出和发展。目前，烟气中二氧化碳的捕集分离技术有液态溶剂吸收法、吸附法、生物法、膜分离法以及低温冷冻法等等。其中液态溶剂吸收—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-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-再生技术依然存在设备、管线易腐蚀，吸收剂再生能耗大及吸收剂易降解等缺陷。
目前，许多研究者提出以多孔材料为载体，用有机胺修饰其表面结构以提高CO2的吸附量和选择性。使用有机胺修饰多孔材料得到的吸附剂称为胺类固体吸附剂。例如，CN95119387.2描述了一种固态胺树脂的制备方法。CN200780029796.1描述了在纳米二氧化硅、二氧化硅-氧化铝、硅酸钙等载体负载MEA、DEA等胺基化合物以及负载甘油、乙二醇、聚乙二醇等制备的固体吸附剂。CN201010125416.8描述了使用煤矸石负载PEI制备固态胺的方法。这类吸附剂可以有效解决液胺吸收法中胺液降解腐蚀和泄露的问题。同时，这类吸附剂能够发挥良好性能的最佳温度范围位于25℃到150℃之间，该温度范围与烟气的温度范围较好地吻合，从而通过吸附解吸装置和传热的良好设计布局可以实现在低能耗的情况下进行二氧化碳的循环吸附解吸过程。但这类固体吸附剂成型后在实际工业应用中存在CO2吸附量低，设备投资大，吸附剂回收复杂，吸附剂损失较大等问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于脱除烟气中CO2的磁性固体吸附剂。本发明提出了一种磁性固体吸附剂的制备方法，该吸附剂大小在纳米级，可以均匀分散在水溶液中，直接用于液胺吸收-再生装置中，无需建造新设备。吸附过程中，由于吸附剂有较大比表面积，可与烟气进行充分接触，实现较大CO2吸附量。同时，可以通过外加磁场的方式来实现吸附剂的回收，简化了回收操作，避免了吸附剂的损失。
本发明所述的磁性固体吸附剂是以纳米级磁性固体为载体，有机胺为负载物，有机胺占磁性固体的质量分数为10%-60%。
本发明所述磁性固体吸附剂制备过程包括以下步骤：（1）FeCl3·6H2O、无水醋酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇在高压反应釜中反应生成粒径均匀的Fe3O4磁性微球；（2）硅酸钠或硅酸钾、异丙醇铝在Fe3O4磁性微球表面水解，形成核/壳结构的SiO2/Fe3O4、Al2O3/Fe3O4磁性微球（3）有机胺通过浸渍法负载到SiO2/Fe3O4、Al2O3/ Fe3O4磁性微球表面。
一般地，所述的聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比为3/40，醋酸钠量为10-30g，反应时间为6-12h，反应温度为200℃。
本发明所述的水解时间为1-3h，SiO2或Al2O3壳层厚度为10-50nm。
本发明所述的SiO2/Fe3O4、Al2O3/ Fe3O4磁性固体的粒径在200-300nm左右。
本发明所述的有机胺为四乙烯五胺或聚乙烯亚胺。
本发明所述的磁性固体吸附剂，吸附烟气时的温度为30-75℃，吸附剂再生温度为90-120℃。
本发明的技术效果：本发明的固体吸附剂可均匀分散在水溶液中，可直接用于液胺吸收-再生装置中，具有吸收速度快，吸收容量大，再生能耗低，吸附剂便于回收，不易损失等优点。
具体实施方式
实施例1
10.8gFeCl3·6H2O，聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比=3/40，10g醋酸钠溶于乙二醇中，200℃反应6h，得到Fe3O4磁性微球；Fe3O4磁性微球分散于异丙醇铝/乙醇溶液中，搅拌水解1h得到Al2O3/ Fe3O4磁性微球；通过浸渍法将四乙烯五胺负载到Al2O3/ Fe3O4磁性微球表面，四乙烯五胺占磁性固体质量分数的10%。由此制备的固体吸附剂标记为FeAl-1。
模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为30℃，烟气通入装有磁性固体吸附剂FeAl-1水溶液的吸收塔中，吸收完全后进入再生塔，90℃下再生。CO2吸附量为3.8mmol/g吸附剂。
实施例2
10.8gFeCl3·6H2O，聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比=3/40，20g醋酸钠溶于乙二醇中，200℃反应10h，得到Fe3O4磁性微球；Fe3O4磁性微球分散于异丙醇铝/乙醇溶液中，搅拌水解2h得到Al2O3/ Fe3O4磁性微球；通过浸渍法将四乙烯五胺负载到Al2O3/ Fe3O4磁性微球表面，四乙烯五胺占磁性固体质量分数的40%。由此制备的固体吸附剂标记为FeAl-2。
模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为45℃，烟气通入装有磁性固体吸附剂FeAl-2水溶液的吸收塔中，吸收完全后进入再生塔，100℃下再生。CO2吸附量为4.02mmol/g吸附剂。
实施例3
10.8gFeCl3·6H2O，聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比=3/40，30g醋酸钠溶于乙二醇中，200℃反应12h，得到Fe3O4磁性微球；Fe3O4磁性微球分散于异丙醇铝/乙醇溶液中，搅拌水解3h得到Al2O3/ Fe3O4磁性微球；通过浸渍法将四乙烯五胺负载到Al2O3/ Fe3O4磁性微球表面，四乙烯五胺占磁性固体质量分数的60%。由此制备的固体吸附剂标记为FeAl-3。
模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为60℃，烟气通入装有磁性固体吸附剂FeAl-3水溶液的吸收塔中，吸收完全后进入再生塔，120℃下再生。CO2吸附量为4.88mmol/g吸附剂。
实施例4
10.8gFeCl3·6H2O，聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比=3/40，10g醋酸钠溶于乙二醇中，200℃反应6h，得到Fe3O4磁性微球；Fe3O4磁性微球分散于硅酸钠/乙醇溶液中，搅拌水解1h得到SiO2/ Fe3O4磁性微球；通过浸渍法将聚乙烯亚胺负载到SiO2/ Fe3O4磁性微球表面，聚乙烯亚胺占磁性固体质量分数的10%。由此制备的固体吸附剂标记为FeSi-1。
模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为45℃，烟气通入装有磁性固体吸附剂FeSi-1水溶液的吸收塔中，吸收完全后进入再生塔，90℃下再生。CO2吸附量为4.56mmol/g吸附剂。
实施例5
10.8gFeCl3·6H2O，聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比=3/40，20g醋酸钠溶于乙二醇中，200℃反应10h，得到Fe3O4磁性微球；Fe3O4磁性微球分散于硅酸钠/乙醇溶液中，搅拌水解2h得到SiO2/ Fe3O4磁性微球；通过浸渍法将聚乙烯亚胺负载到SiO2/ Fe3O4磁性微球表面，聚乙烯亚胺占磁性固体质量分数的40%。由此制备的固体吸附剂标记为FeSi-2。
模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为60℃，烟气通入装有磁性固体吸附剂FeSi-2水溶液的吸收塔中，吸收完全后进入再生塔，100℃下再生。CO2吸附量为5.03mmol/g吸附剂。
实施例6
10.8gFeCl3·6H2O，聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比=3/40，30g醋酸钠溶于乙二醇中，200℃反应12h，得到Fe3O4磁性微球；Fe3O4磁性微球分散于硅酸钠/乙醇溶液中，搅拌水解3h得到SiO2/ Fe3O4磁性微球；通过浸渍法将聚乙烯亚胺负载到SiO2/ Fe3O4磁性微球表面，聚乙烯亚胺占磁性固体质量分数的60%。由此制备的固体吸附剂标记为FeSi-3。
模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为75℃，烟气通入装有磁性固体吸附剂FeSi-3水溶液的吸收塔中，吸收完全后进入再生塔，120℃下再生。CO2吸附量为5.70mmol/g吸附剂。
实施例7
对固体吸附剂FeAl-3进行20次的循环吸附脱附试验。将15g的吸附剂分散在水溶液中打入吸收塔，升温至60℃，通模拟烟气进行吸收反应，吸收完全后在再生塔中，120℃下再生，如此来回循环20次。试验结果见表1。
表1
循环次数 1 2 3 4 5 6 78 8 9 10
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 4.88 4.85 4.85 4.8 4.81 4.77 4.77 4.77 4.73 4.73
循环次数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 4.70 4.71 4.71 4.69 4.69 4.69 4.68 4.68 4.66 4.66
实施例8
对固体吸附剂FeSi-3进行20次的循环吸附脱附试验。试验结果见表2。
表2
循环次数 1 2 3 4 5 6 78 8 9 10
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 5.70 5.70 5.70 5.68 5.68 5.66 5.66 5.65 5.65 5.63
循环次数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 5.60 5.61 5.57 5.57 5.55 5.55 5.52 5.52 5.50 5.50
对比例1
通过浸渍法将四乙烯五胺负载到无序介孔硅胶表面，四乙烯五胺占硅球质量分数的60%，由此制备的固体吸附剂标记为TEPA-Si。
吸附再生过程在固定床装置上进行。模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为60℃，再生温度为120℃。此时TEPA-Si吸附剂的CO2吸附量为2.27mmol/g吸附剂。
对比例2
通过浸渍法将聚乙烯亚胺负载到无序介孔硅胶表面，聚乙烯亚胺占硅球质量分数的60%，由此制备的固体吸附剂标记为PEI-Si。
吸附再生过程在固定床装置上进行。模拟烟气为常压，CO2含量为12%，其余为N2。吸附温度为75℃，再生温度为120℃。此时PEI-Si吸附剂的CO2吸附量为2.54mmol/g吸附剂。
对比例3
对固体吸附剂TEPA-Si进行20次的循环吸附脱附试验。将15g的吸附剂装入固定床反应器中，升温至60℃，通模拟烟气进行吸收反应，吸收完全后升温至120℃再生，如此来回循环20次。试验结果见表3。
表3
循环次数 1 2 3 4 5 6 78 8 9 10
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 2.27 2.30 2.32 2.25 2.20 2.18 2.18 2.15 2.11 2.06
循环次数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 2.06 2.02 2.03 2.01 1.98 1.98 1.96 1.95 1.95 1.93
对比例4
对固体吸附剂PEI-Si进行20次的循环吸附脱附试验。试验结果见表4。
表4
循环次数 1 2 3 4 5 6 78 8 9 10
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 2.54 2.54 2.60 2.60 2.53 2.50 2.48 2.46 2.46 2.45
循环次数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
吸附量（mmol/g<sub>吸附剂</sub>） 2.41 2.40 2.35 2.33 2.25 2.25 2.20 2.15 2.13 2.13

Claims (7)

1.一种用于脱除烟气中CO2的磁性固体吸附剂，其特征在于固体吸附剂以纳米级磁性固体为载体，有机胺为负载物，有机胺占磁性固体的质量分数为10%-60%。
2.根据权利要求1所述用于脱除烟气中CO2的磁性固体吸附剂，其特征在于所述的有机胺为四乙烯五胺或聚乙烯亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种用于脱除烟气中CO2的磁性固体吸附剂的制备方法，其特征在于：制备过程包括以下步骤：（1）FeCl3·6H2O、无水醋酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇在高压反应釜中反应生成粒径均匀的Fe3O4磁性微球；（2）硅酸钠或硅酸钾、异丙醇铝在Fe3O4磁性微球表面水解，形成核/壳结构的SiO2/Fe3O4、Al2O3/ Fe3O4磁性微球；（3）有机胺通过浸渍法负载到SiO2/Fe3O4、Al2O3/ Fe3O4磁性微球表面。
4.根据权利要求3所述的磁性固体吸附剂的制备方法，其特征在于所述的聚乙烯吡咯烷酮/FeCl3·6H2O摩尔比为3/40，醋酸钠量为10-30g，反应时间为6-12h，反应温度为200℃。
5.根据权利要求3所述的磁性固体吸附剂的制备方法，其特征在于所述水解时间为1-3h，SiO2或Al2O3壳层厚度为10-50nm。
6.根据权利要求3所述的磁性固体吸附剂的制备方法，其特征在于所述的SiO2/Fe3O4、Al2O3/ Fe3O4磁性固体的粒径在200-300nm。
7.根据权利要求1所述用于脱除烟气中CO2的磁性固体吸附剂，其特征在于吸附烟气时温度为30-75℃，吸附剂再生温度为90-120℃。
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