CN110078048A - 一种碳气凝胶天然气吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于吸附存储天然气技术领域，具体涉及一种碳气凝胶天然气吸附剂及其制备方法和应用。所述包括如下步骤：(1)将生物质原料溶于溶剂中进行搅拌溶解，然后进行快速冷冻，完成后进行冻干，得到碳气凝胶前驱体；(2)将步骤(1)得到的碳气凝胶前驱体在保护气氛下进行碳化，完成后对产物进行化学法活化，即得碳气凝胶天然气吸附剂。本发明制备的碳气凝胶材料在保持较大的比表面积的同时还具有耐磨损、机械强度高的优势，成型过程无需任何粘结剂，大大降低了制备成本及生产时间；另外，再经过化学法活化，能够进一步提高其比表面积和孔隙率。
Description
技术领域
本发明属于吸附存储天然气技术领域，具体涉及一种碳气凝胶天然气吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
吸附存储天然气技术(ANG)在我国属高新技术，是一项先进的储气技术，可用于吸附天然气汽车、无法管输零散气井天然气、汽油罐装车间、加油站挥发烃的吸附回收；替代地下储气库储存天然气用于工业、民用、调峰等方面，可极大地降低成本。因为与传统的液化天然气技术(CNG)相比，ANG有如下优点：(1)加气站建设只需用廉价的单级压缩机，投资与操作费用明显降低，而CNG加气站，却要昂贵的多级压缩系统；(2)储气罐形状、用材选择余地大、质量轻、压力低、使用方便和安全可靠，从而降低了用户投资和行车的额外负荷，增加了空间利用率。目前国内有中国石油大学、山西煤化所、华南理工大学、北京化工大学等单位在致力于该技术的研发。国外有美国、加拿大、俄罗斯、英国、日本也有研究，目前已该技术已经被大量应用于工业领域的全球只有美国。国内外的研究表明，ANG储气技术替代CNG储气技术是完全可以的，至少可作为另一项先进的储气技术得以发展。高性能吸附剂是天然气吸附存储技术的核心，针对目前存在的关键问题---存储容量有限进行突破，将在很大程度上推动天然气吸附存储技术的推广使用。
碳气凝胶是一种新型纳米多孔材料，在绝热、电化学、吸附、催化等领域具有良好的应用前景。与传统ANG吸附材料(活性炭、MCM-41、富勒烯、金属有机框架材料、碳纳米管等)相对比，碳气凝胶吸附剂材料因其巨大的比表面积和丰富的微纳孔结构，可实现天然气的常温低压吸附储存，被认为是最具应用基础研究价值和工业化应用前景的天然气吸附剂材料。然而，本发明人认为：目前用于天然气吸附的碳吸附剂主要是活性炭，它的问题是粉末状材料，需要添加粘结剂压制成型，这种工艺因为成型过程中使用较多的粘结剂，容易造成粘结剂堵孔，会降低单位质量吸附量，成本也高。
专利文献201410007776.6公开了一种碳气凝胶材料的制备方法，它是将生物质甜瓜、西瓜瓤或丝瓜络切割后放置在水热反应釜中，在密闭条件下在均相反应器中180℃水热反应12小时，反应结束后逐渐冷却至室温，然后洗涤，洗涤后的碳水凝胶放入60℃烘箱内放置1小时，包裹一层锡箔纸，放入77K液氮罐中彻底冷冻干燥，将得到的固体产物放入25℃的真空干燥箱内12小时，缓慢抽出固态水分，得到碳气凝胶材料。本发明的碳气凝胶材料具有高的比表面积、高机械强度，以及超低的本体密度。专利文献201710376255.1公开了一种疏水低密度柚子皮碳气凝胶的制备方法及其应用。本发明以新鲜的柚子皮为原料，利用水热碳化法，冷冻干燥和高温热解手段制备。首先，除去柚子的外表皮和果肉，得到蓬松的柚子皮原材料，高温反应釜中，水热碳化；然后，利用恒温水浴洗去其中的杂质，再冷冻干燥；再在氮气保护下高温热解，除去表面含氧官能团，得到疏水、质轻和多孔的生物质碳气凝胶。该碳气凝胶显示出了对油与有机溶剂高的吸附容量。然而，本发明发现：用于吸油的碳气凝胶主要特点是表面具有超疏水性，实现油水分离；但这类碳气凝胶并不适用于ANG技术。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种碳气凝胶天然气吸附剂及其制备方法和应用。本发明以生物质作为原料，制备的碳气凝胶材料在保持较大的比表面积的同时还具有耐磨损、机械强度高的优势。
本发明第一目的：提供一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法。
本发明第二目的：提供一种碳气凝胶天然气吸附剂。
本发明第三目的：提供所述碳气凝胶天然气吸附剂及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将生物质原料溶于溶剂中进行搅拌溶解，然后在液氮中快速冷冻，完成后进行冻干，得到碳气凝胶前驱体；此过程是生物质原料凝胶化过程，生物分子链和水之间的氢键和范德华力结合使生物分子间交联更加紧密形成稳定的三维网状骨架结构。
(2)将步骤(1)得到的碳气凝胶前驱体在保护气氛下进行碳化，完成后对产物进行化学法活化，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
再次，本发明公开另一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将生物质原料溶于溶剂中进行搅拌溶解，然后对得到的溶液进行水浴加热反应，得到湿凝胶；
(2)将步骤(1)得到的湿凝胶在保护气氛下进行碳化，完成后对产物进行化学法活化，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述生物质主要包括木材、棉花、竹子、麦秆、淀粉、细菌纤维素、壳聚糖、魔芋葡甘聚糖、葡萄糖、海藻酸钠等中一种或多种的混合物。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述溶剂根据不同原料选择，例如：溶剂可以是水、乙醇或者醋酸溶液。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述搅拌的时间为0.5-3h。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述快速冷冻指在液氮中进行冷冻。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述冷冻时间为35-50h。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述水浴加热反应的条件为：在60-80℃水浴处理4-6h。
作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述碳化的条件为：在700-1000℃下碳化1-3h。
作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述化学法活化的方法为：先用磷酸、氢氧化钾、氯化锌等中的任意一种浸泡后，再用盐酸浸泡，然后用水洗涤至中性、干燥，即得。
再次，本发明公开上述两种方法制备的碳气凝胶天然气吸附剂，其比表面积为3396-3971m2/g，微孔直径在1-2nm之间，微孔率大于85％，孔容在1.3-2.1cm3/g之间。用于吸附气体的碳气凝胶主要是利用碳材料的微孔结构，微孔孔分布在1-2nm为最佳，有利于吸附气体。
最后，本发明公开所述碳气凝胶天然气吸附剂及其制备方法在吸附存储天然气技术中的应用，例如，天然气储罐、车载天然气。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)与其他碳基吸附剂材料相比，本发明制备的碳气凝胶材料在保持较大的比表面积的同时还具有耐磨损、机械强度高的优势。
(2)本发明制备的碳气凝胶材料是块状材料，型过程无需任何粘结剂，可直接将碳气凝胶吸附剂装填进天然气储罐，大大降低了制备成本及生产时间。
(3)本发明采用化学法活化，活化过程在保存三维网状结构的同时能显著增加微孔数量，提高比表面积。
(4)本发明制备碳气凝胶吸附剂的原料生物质材料，其资源广泛、成本低廉、含碳丰富、绿色环保，是碳气凝胶制备中最具可持续发展特性的原料。
(5)本发明制备碳气凝胶吸附剂的过程中都是在醋酸、水、乙醇等溶剂中进行，环保低成本，而且实验过程可重复性高，有利于产业化。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1制备的碳气凝胶的氮气吸脱附图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如前文所述，碳气凝胶吸附剂材料因其巨大的比表面积和丰富的微纳孔结构，可实现天然气的常温低压吸附储存，被认为是最具应用基础研究价值和工业化应用前景的天然气吸附剂材料。因此，本发明提出一种碳气凝胶天然气吸附剂及其制备方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
实施例1
一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将2wt％的魔芋葡甘聚糖溶于水，搅拌0.5h，然后放入液氮中快速冷冻，冷冻时间为35h，完成后进行冻干，得到碳气凝胶前驱体；
(2)将步骤(1)得到的碳气凝胶前驱体在N2气氛下1000℃进行碳化，保温1h，在N2气保护下冷却至室温，得到碳气凝胶材料；然后采用KOH活化法对碳气凝胶材料进行化学法活化，洗至中性，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
实施例2
一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将1wt％的壳聚糖溶于2wt％的乙酸溶液中，搅拌2h，然后放入液氮中快速冷冻，冷冻时间为50h，完成后进行冻干，得到碳气凝胶前驱体；
(2)将步骤(1)得到的碳气凝胶前驱体在N2气氛下800℃进行碳化，保温1.5h，在N2气保护下冷却至室温，得到碳气凝胶材料；然后采用氯化锌活化法对碳气凝胶材料进行化学法活化，洗至中性，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
实施例3
一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将1wt％的细菌纤维素溶于NaOH/尿素溶剂体系中，搅拌3h，然后对得到的溶液在60℃水浴加热反应4h，得到湿凝胶；经过二氧化碳超临界干燥系统进行干燥，得到干凝胶；
(2)将步骤(1)得到的干凝胶在Ar气氛下700℃进行碳化，保温3h，在Ar气保护下冷却至室温，得到碳气凝胶材料；然后采用磷酸活化法对产物进行化学法活化，洗至中性，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
实施例4
一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将5wt％的木材纤维素溶于NaOH/尿素溶剂体系中，搅拌3h，然后对得到的溶液在80℃水浴加热反应6h，得到纤维素湿凝胶；经过常压干燥法得到纤维素干凝胶；
(2)将步骤(1)得到的干凝胶在Ar气氛下900℃进行碳化，保温2h，在Ar气保护下冷却至室温，得到碳气凝胶材料；然后采用氯化锌活化法对产物进行化学法活化，洗至中性，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
性能测试：
(1)对实施例1-4中制备出的碳气凝胶天然气吸附剂的氮气吸脱能力进行测试，结如图1所示，可以看出：曲线是微孔特征，且孔径分布在大约1-2nm之间的占比(微孔率)达到了85％以上；由于用于吸附气体的碳气凝胶不同于吸附其他的物质，如石油等，吸附气体主要是利用碳材料的微孔结构的微孔特性，微孔孔分布在1-2nm，且孔径在该范围内的微孔占比85％以上时，对气体的吸附才能达到优异的效果。
(2)对实施例1-4中制备出的碳气凝胶天然气吸附剂的性能进行测试，结果如表所示。
表1
| 实施例序号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 比表面积(m<sup>2</sup>/g) | 3644 | 3396 | 3971 | 3413 |
| 微孔直径(nm) | 约1-2nm | 约1-2nm | 约1-2nm | 约1-2nm |
| 微孔率(％) | 90.1 | 85.3 | 91.4 | 87.7 |
| 孔容(cm<sup>3</sup>/g) | 2.1 | 1.9 | 1.6 | 1.3 |
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将生物质原料溶于溶剂中进行搅拌溶解，然后进行快速冷冻，完成后进行冻干，得到碳气凝胶前驱体；
(2)将步骤(1)得到的碳气凝胶前驱体在保护气氛下进行碳化，完成后对产物进行化学法活化，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
2.一种碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将生物质原料溶于溶剂中进行搅拌溶解，然后对得到的溶液进行水浴加热反应，得到湿凝胶；
(2)将步骤(1)得到的湿凝胶在保护气氛下进行碳化，完成后对产物进行化学法活化，即得碳气凝胶天然气吸附剂。
3.如权利要求1或2所述的碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述生物质主要包括木材、棉花、竹子、麦秆、淀粉、细菌纤维素、壳聚糖、魔芋葡甘聚糖、葡萄糖、海藻酸钠中一种或多种的混合物。
4.如权利要求1或2所述的碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述溶剂包括是水、乙醇、醋酸溶液中的一种或几种；
优选地，步骤(1)中，所述搅拌的时间为0.5-3h；
优选地，步骤(1)中，所述快速冷冻指在液氮中进行冷冻。
5.如权利要求1所述的碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷冻时间为35-50h。
6.如权利要求2所述的碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水浴加热反应的条件为：在60-80℃水浴处理4-6h。
7.如权利要求1或2所述的碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述碳化的条件为：在700-1000℃下碳化1-3h。
8.如权利要求1或2所述的碳气凝胶天然气吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述化学法活化的方法为：先用磷酸、氢氧化钾、氯化锌等中的任意一种浸泡后，再用盐酸浸泡，然后用水洗涤至中性、干燥，即得。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法制备的碳气凝胶天然气吸附剂，其特征在于，所述吸附剂的比表面积为3396-3971m2/g，微孔直径在1-2nm之间，微孔率大于85％，孔容在1.3-2.1cm3/g之间。
10.如权利要求1-8任一项所述的方法和/或如权利要求9所述的碳气凝胶天然气吸附剂在吸附存储天然气技术中的应用，优选为在天然气储罐、车载天然气中的应用。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112029118A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-12-04 | 新疆赛诺凯生物科技有限公司 | 一种木醋液-碳气凝胶复合水凝胶膜及其制备方法和应用 |
| CN112691645A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-23 | 山东省科学院新材料研究所 | 一种碳气凝胶/金属有机骨架复合材料及其制备方法和在气体存储中的应用 |
| CN113307357A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-08-27 | 扬州工业职业技术学院 | 一种接触氧化法处理有机废水的装置 |
| CN114669275A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-06-28 | 山东省科学院新材料研究所 | 一种微孔材料/碳气凝胶复合材料及其制备方法和应用 |
| CN115536001A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-30 | 南京航空航天大学 | 一种碳基轻质红外热辐射气凝胶材料及其制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107486152A (zh) * | 2017-08-23 | 2017-12-19 | 江苏大学 | 一种树叶基生物质碳气凝胶的制备方法及应用 |
| CN108217624A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-06-29 | 东北林业大学 | 一种分级多孔炭气凝胶及其制备方法和应用 |
-
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- 2019-05-23 CN CN201910434812.XA patent/CN110078048A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107486152A (zh) * | 2017-08-23 | 2017-12-19 | 江苏大学 | 一种树叶基生物质碳气凝胶的制备方法及应用 |
| CN108217624A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-06-29 | 东北林业大学 | 一种分级多孔炭气凝胶及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘宁: "炭气凝胶微球的物理活化与化学活化比较", 《中山大学学报（自然科学版）》 * |
| 杨喜等: "生物质基碳气凝胶制备及应用研究", 《材料导报A：综述篇》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112029118A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-12-04 | 新疆赛诺凯生物科技有限公司 | 一种木醋液-碳气凝胶复合水凝胶膜及其制备方法和应用 |
| CN112691645A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-23 | 山东省科学院新材料研究所 | 一种碳气凝胶/金属有机骨架复合材料及其制备方法和在气体存储中的应用 |
| CN112691645B (zh) * | 2020-12-23 | 2023-08-25 | 山东省科学院新材料研究所 | 一种碳气凝胶/金属有机骨架复合材料及其制备方法和在气体存储中的应用 |
| CN113307357A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-08-27 | 扬州工业职业技术学院 | 一种接触氧化法处理有机废水的装置 |
| CN113307357B (zh) * | 2021-06-04 | 2021-12-17 | 扬州工业职业技术学院 | 一种接触氧化法处理有机废水的装置 |
| CN114669275A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-06-28 | 山东省科学院新材料研究所 | 一种微孔材料/碳气凝胶复合材料及其制备方法和应用 |
| CN114669275B (zh) * | 2022-04-29 | 2024-05-10 | 山东省科学院新材料研究所 | 一种微孔材料/碳气凝胶复合材料及其制备方法和应用 |
| CN115536001A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-30 | 南京航空航天大学 | 一种碳基轻质红外热辐射气凝胶材料及其制备方法 |
| CN115536001B (zh) * | 2022-10-31 | 2024-02-13 | 南京航空航天大学 | 一种碳基轻质红外热辐射气凝胶材料及其制备方法 |
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