CN110975833A - 二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其以碱/尿溶液为溶剂,一步法同时溶解二氧化硅和纤维素,然后二氧化硅颗粒在纤维素表面原位形成制备二氧化硅/纤维素复合多孔材料;本发明方法操作简单、流程短。此外,本发明所涉及的原料来源广泛、均为固废、价廉易得;本发明制得的多孔材料在环境条件下进行CO2捕集具有良好的捕集效果,捕集容量最高可达35%,CO2/N2选择性最高可达32.69,具有良好的CO2捕集应用前景。
Description
技术领域
本发明属于一种无机/有机复合多孔材料的制备领域,特别涉及二氧化硅和纤维素“一步法”同时溶解在碱/尿溶液中制备硅量可自由调节、硅颗粒均匀分散的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的方法。
背景技术
二氧化硅/纤维素复合多孔材料,纤维素通过物理或化学键合作用的介入,不仅改善了二氧化硅单组分气凝胶的内在性能(如刚性、脆性),而且对机械性能(抗张强度、杨氏模量等)产生了巨大影响,同时提高了可湿性和化学可及性,因此受到国内外学者的广泛关注和研究。
二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法目前主要有两种技术:纤维素模板法和直接混合法。纤维素模板法是指首先制备纤维素气凝胶,然后以此为模板浸入硅溶液(如正硅酸乙酯、硅酸钠、二氧化硅纳米颗粒悬浮液等);该法的纤维素和二氧化硅结合分成两步,因此该法也称为“两步法”。然而,文献报道的这类型制备方法,除了工艺长、操作复杂外所使用的纤维素基本来源于高纯纤维素如细菌纤维素、纳米纤维素(纳晶纤维素、微晶纤维素、纳原纤纤维素等)导致原料成本高、来源困难;另外,由于二氧化硅是在纤维素气凝胶成型后介入,由于固相与高粘度液相的极大传质阻力,导致二氧化硅在纤维素上的分布不均且二氧化硅介入的量有限。基于此,提出直接混合法,也可以称为“一步法”,因为它通常是将溶解的纤维素溶液与硅酸钠溶液或二氧化硅纳米颗粒直接混合。直接混合法,纤维素首先需要溶解,因此纤维素溶剂的选择是关键。
专利CN2017100100056公开了一种采用碱/尿溶液为溶剂,无机硅酸钠为硅源的二氧化硅/纤维素的制备方法,但该专利涉及的纤维素为纤维素含量高达95%以上的高纯纤维素,如棉短绒浆、微晶纤维素等;专利CN2017105326769公开的是将纳米纤维素分散液与有机硅(如正硅酸乙酯)水解制备的二氧化硅溶胶混合制备纤维素增强的二氧化硅的复合气凝胶;专利CN2018105084641公开的是将高纯纤维素(如纳晶纤维素、微晶纤维素、细菌纤维素)或纤维素衍生物(如甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素)溶胀在碱(氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂)溶液中,然后再与碱性硅酸盐(如钠水玻璃、钾水玻璃、九水硅酸钠)混合制备二氧化硅/纤维素复合多孔材料。但这些公开的方法纤维素和二氧化硅的溶解及混合采用的是二步法:即首先是纤维素充分溶胀在溶剂中,然后再与溶解于溶剂中的硅源混合,且所采用的纤维素均为高纯纤维素,如棉短绒浆、微晶纤维素、纳晶纤维素、细菌纤维素、纤维素衍生物,这些纤维素的来源途径单一、成本高。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其采用一步法同时溶解二氧化硅和纤维素制备二氧化硅/纤维素复合多孔材料,并将此材料首次用于环境条件下CO2捕集以来检验其CO2吸附性能。
本发明二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法如下:
(1)从废纸中提取纤维素,提取方法参照Miao, Y.等(2019). CO2 captureperformance and characterization of cellulose aerogels synthesized from oldcorrugated containers. Carbohydr Polym, 115380.中的方法;
(2)将二氧化硅湿凝胶和步骤(1)中纤维素同时放入烧杯中,然后加入已预冷至-13℃的碱/尿溶液,室温条件下剧烈搅拌15~30min,其中二氧化硅湿凝胶干基与纤维素干基的质量比3:1~0.1:1,固液质量比为1:20~1:50;
(3)将步骤(2)混合粘稠溶液倒入模具中,采用相分离法让混合粘稠溶液形成具有网络空间结构的固形物;
(4)将步骤(3)固形物取出,放入0.5~6 mol/L的酸溶液中,静置5~240min,让均匀分布在纤维素网络间的硅酸钠在酸性条件下原位形成二氧化硅颗粒;
(5)取出步骤(4)中的固形物浸入去离子水中反复浸泡洗涤至固形物pH值为中性,以除去氢氧化钠、尿素、硫酸等残余物,制得中性水凝胶;中性水凝胶干燥后,即得具有互穿网络结构的二氧化硅/纤维素复合多孔材料。
所述二氧化硅湿凝胶是按质量比1:1.2的比例将粉煤灰或煤矸石、碳酸钠混合均匀后,置于800℃下焙烧2h,取出冷至室温后,按1g焙烧产物添加7~9mL盐酸溶液的比例在焙烧产物中边搅拌边加入3mol/L的盐酸溶液,待充分溶解后,过滤,滤液置于90℃下进行溶胶-凝胶2h,在所得凝胶中加入20mL浓度为1mol/L的盐酸溶液,超声5min,抽滤、去离子水反复洗涤至中性制得。
所述碱/尿溶液为氢氧化钠-尿素溶液、氢氧化钠-硫脲溶液、氢氧化锂-尿素溶液、氢氧化锂-硫脲溶液中的一种,氢氧化钠在溶液中的质量浓度为3%~30%,尿素在溶液中的质量浓度为2%~20%;LiOH在溶液中的质量浓度为2%~15%,硫脲在溶液中的质量浓度为2%~30%。
所述废纸为废旧瓦楞纸、废旧新闻纸、废旧书报杂志或办公废纸。
所述相分离法为溶剂蒸发法、热诱导相分离法、浸入沉淀法或气相沉淀法。
所述酸溶液为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸或乙酸溶液。
本发明另一目的是提供上述方法制得的二氧化硅/纤维素复合多孔材料应用在吸收捕集CO2中。
用于环境条件下的CO2捕集:将10-15mg二氧化硅/纤维素复合多孔材料放入氧化铝坩埚置于TGA天平上,在氮气气氛下样品从室温升温至110℃并保持12h以脱除样品中吸附的水、CO2等杂质,然后系统降温至25℃并维持12h以使系统稳定,待系统稳定后将氮气流切换为纯CO2气流直至样品质量不再增加。
纤维素可溶解在碱/尿溶液中,而二氧化硅也可溶解在碱溶液中,纤维素溶解在碱/尿溶液中的溶解为放热反应,而二氧化硅在碱溶液中的溶解为吸热反应,二者相互促进各自在碱/尿溶液中溶解。基于此,本发明提出将纤维素和二氧化硅混合,然后同时在碱/尿溶液中溶解,即是真正的“一步法”混合纤维素和二氧化硅制备二氧化硅/纤维素复合多孔材料,而且该法操作简单、工艺流程短,原料价廉易得、来源丰富,且纤维素中二氧化硅的介入量可根据需求自由调节。此外,二氧化硅/纤维素复合多孔材料具有三维空间网络结构,且密度低、比表面积大。
与现在的技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明首次将工业固废基二氧化硅湿凝胶和废纸基纤维素同时溶解在碱/尿溶液中,制备硅量可自由调节、硅颗粒均匀分散的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的方法;
(2)本发明首次将二氧化硅/纤维素复合多孔材料应用于环境条件下的CO2捕集利用,显示出较高的CO2吸附容量和CO2/N2选择性;
(3)本发明相比其他二氧化硅/纤维素复合材料的制备工艺,具有工艺流程短、操作简单、原料价廉易得等优势。
(4)使用的纤维素来源于市政废纸、二氧化硅来源于工业固废,来源价廉易得、途径丰富。
附图说明
图1是实施例1所制备的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的扫描电镜(左)及其能谱图(右)(FESEM-EDS);
图2是实施例3所制备的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的在77K测定的N2吸附等温线(左)及其孔径分布图(右);
图3是实施例5所制备的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的在TGA仪器上测定的CO2捕集曲线图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围不局限于所述内容。
实施例1:
(1)制备粉煤灰基二氧化硅湿凝胶,即按质量比1:1.2的比例将粉煤灰、碳酸钠混合均匀后,置于800℃下焙烧2h,取出冷至室温后,按1g焙烧产物添加8mL盐酸溶液的比例在焙烧产物中边搅拌边加入3mol/L的盐酸溶液,待充分溶解后,过滤,滤液置于90℃下进行溶胶-凝胶2h,在所得凝胶中加入20mL浓度为1mol/L的盐酸溶液,超声5min,抽滤、去离子水反复洗涤至中性,即得粉煤灰基二氧化硅湿凝胶;
(2019). CO2 capture performance and characterizationof cellulose aerogels synthesized from old corrugated containers. CarbohydrPolym, 115380.中的方法从废旧瓦楞纸中提取纤维素;
(3)将粉煤灰基二氧化硅湿凝胶和旧瓦楞纸基纤维素同时放入烧杯,其中二氧化硅湿凝胶干基与纤维素干基的质量比3:1;然后倒入已预冷至-13℃的含有18 %氢氧化钠/12 %尿素的水溶液,固液质量比为1:25,室温条件下剧烈搅拌30min;
(4)将步骤(3)混合粘稠溶液倒入模具,放置于已升温至50℃的鼓风干燥箱中干燥24h,让混合粘稠溶液形成具有网络空间结构的固形物;
(5)将步骤(4)固形物取出,倒入200mL、2 mol/L的硫酸溶液中,静置180min,让均匀分布在纤维素网络间的硅酸钠在酸性条件下原位形成二氧化硅颗粒;
(6)将步骤(5)固形物反复浸入去离子水中反复浸泡洗涤至固形物pH值为中性,以除去氢氧化钠、尿素、硫酸等残余物;冷冻干燥,即得具有互穿网络结构的二氧化硅/纤维素复合多孔材料,二氧化硅/纤维素复合多孔材料的扫描电镜及其能谱图见图1;
(7)将10mg二氧化硅/纤维素复合多孔材料放入氧化铝坩埚置于TGA天平上,在氮气气氛下,复合多孔材料从室温升温至110℃并保持12h以脱除样品中吸附的水、CO2等杂质,然后系统降温至25℃并维持12h以使系统稳定,待系统稳定后将氮气流切换为纯CO2气流直至样品质量不再增加,CO2吸附容量可达35%。
实施例2:
(1)制备煤矸石基二氧化硅湿凝胶,即按质量比1:1.2的比例将煤矸石、碳酸钠混合均匀后,置于800℃下焙烧2h,取出冷至室温后,按1g焙烧产物添加8mL盐酸溶液的比例在焙烧产物中边搅拌边加入3mol/L的盐酸溶液,待充分溶解后,过滤,滤液置于90℃下进行溶胶-凝胶2h,在所得凝胶中加入20mL浓度为1mol/L的盐酸溶液,超声5min,抽滤、去离子水反复洗涤至中性,即得煤矸石基二氧化硅湿凝胶;
(2)从废旧瓦楞纸中提取纤维素,方法同实施例1;
(3)将煤矸石基二氧化硅湿凝胶和旧瓦楞纸基纤维素同时放入烧杯,其中二氧化硅湿凝胶干基与纤维素干基的质量比1:1;然后倒入已预冷至-13℃的含有6 %氢氧化锂/20 %尿素的水溶液,固液质量比为1:35,室温条件下剧烈搅拌20min;
(4)将步骤(3)混合粘稠溶液倒入模具,放置于已升温至50℃的鼓风干燥箱中干燥24h,让混合粘稠溶液形成具有网络空间结构的固形物;
(5)将步骤(4)固形物取出,倒入200mL、1mol/L的硫酸溶液中,静置100min,让均匀分布在纤维素网络间的硅酸钠在酸性条件下原位形成二氧化硅颗粒;
(6)将步骤(5)固形物反复浸入去离子水中反复浸泡洗涤至固形物pH值为中性,以除去氢氧化锂、尿素、硫酸等残余物;冷冻干燥,即得具有互穿网络结构的二氧化硅/纤维素复合多孔材料。
(7)将12mg二氧化硅/纤维素复合多孔材料放入氧化铝坩埚置于TGA天平上,在氮气气氛下,复合多孔材料从室温升温至110℃并保持12h以脱除样品中吸附的水、CO2等杂质,然后系统降温至25℃并维持12h以使系统稳定,待系统稳定后将氮气流切换为纯CO2气流直至样品质量不再增加,CO2吸附容量可达32%。
实施例3:
(1)制备粉煤灰基二氧化硅湿凝胶,即按质量比1:1.2的比例将粉煤灰、碳酸钠混合均匀后,置于800℃下焙烧2h,取出冷至室温后,按1g焙烧产物添加8mL盐酸溶液的比例在焙烧产物中边搅拌边加入3mol/L的盐酸溶液,待充分溶解后,过滤,滤液置于90℃下进行溶胶-凝胶2h,在所得凝胶中加入20mL浓度为1mol/L的盐酸溶液,超声5min,抽滤、去离子水反复洗涤至中性,即得粉煤灰基二氧化硅湿凝胶;
(2)从废旧新闻纸中提取纤维素,方法同实施例1;
(3)将粉煤灰基二氧化硅湿凝胶和纤维素同时放入烧杯,其中二氧化硅湿凝胶干基与纤维素干基的质量比2:1;然后倒入已预冷至-13℃的含有8 %氢氧化锂/15%硫脲的水溶液,固液质量比为1:40,室温条件下剧烈搅拌15min;
(4)将步骤(3)混合粘稠溶液倒入模具,放置于已升温至50℃的鼓风干燥箱中干燥24h,让混合粘稠溶液形成具有网络空间结构的固形物;
(5)将步骤(4)固形物取出,倒入200mL、4mol/L的硫酸溶液中,静置30min,让均匀分布在纤维素网络间的硅酸钠在酸性条件下原位形成二氧化硅颗粒;
(6)将步骤(5)固形物反复浸入去离子水中反复浸泡洗涤至固形物pH值为中性,以除去氢氧化锂、硫脲、硫酸等残余物;冷冻干燥,即得具有互穿网络结构的二氧化硅/纤维素复合多孔材料;本实施例制得的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的在77K测定的N2吸附等温线及其孔径分布图见图2;
(7)将15mg二氧化硅/纤维素复合多孔材料放入氧化铝坩埚置于TGA天平上,在氮气气氛下,复合多孔材料从室温升温至110℃并保持12h以脱除样品中吸附的水、CO2等杂质,然后系统降温至25℃并维持12h以使系统稳定,待系统稳定后将氮气流切换为纯CO2气流直至样品质量不再增加,CO2吸附容量可达28%。
实施例4:
(1)制备粉煤灰基二氧化硅湿凝胶,即按质量比1:1.2的比例将粉煤灰、碳酸钠混合均匀后,置于800℃下焙烧2h,取出冷至室温后,按1g焙烧产物添加8mL盐酸溶液的比例在焙烧产物中边搅拌边加入3mol/L的盐酸溶液,待充分溶解后,过滤,滤液置于90℃下进行溶胶-凝胶2h,在所得凝胶中加入20mL浓度为1mol/L的盐酸溶液,超声5min,抽滤、去离子水反复洗涤至中性,即得粉煤灰基二氧化硅湿凝胶;
(2)从废旧办公废纸中提取纤维素,方法同实施例1;
(3)将粉煤灰基二氧化硅湿凝胶和纤维素同时放入烧杯,其中二氧化硅湿凝胶干基与纤维素干基的质量比0.5:1;然后倒入已预冷至-13℃的含有18 %氢氧化钠/12 %硫脲的水溶液,固液质量比为1:45,室温条件下剧烈搅拌20min;
(4)将步骤(3)混合粘稠溶液倒入模具,放置于已升温至50℃的鼓风干燥箱中干燥24h,让混合粘稠溶液形成具有网络空间结构的固形物;
(5)将步骤(4)固形物取出,倒入200mL、5mol/L的硫酸溶液中,静置150min,让均匀分布在纤维素网络间的硅酸钠在酸性条件下原位形成二氧化硅颗粒;
(6)将步骤(5)固形物反复浸入去离子水中反复浸泡洗涤至固形物pH值为中性,以除去氢氧化钠、硫脲、硫酸等残余物;冷冻干燥,即得具有互穿网络结构的二氧化硅/纤维素复合多孔材料。
(7)将15mg二氧化硅/纤维素复合多孔材料放入氧化铝坩埚置于TGA天平上,在氮气气氛下,复合多孔材料从室温升温至110℃并保持12h以脱除样品中吸附的水、CO2等杂质,然后系统降温至25℃并维持12h以使系统稳定,待系统稳定后将氮气流切换为纯CO2气流直至样品质量不再增加,CO2吸附容量可达26%。
实施例5:
(1)制备煤矸石基二氧化硅湿凝胶,即按质量比1:1.2的比例将煤矸石、碳酸钠混合均匀后,置于800℃下焙烧2h,取出冷至室温后,按1g焙烧产物添加8mL盐酸溶液的比例在焙烧产物中边搅拌边加入3mol/L的盐酸溶液,待充分溶解后,过滤,滤液置于90℃下进行溶胶-凝胶2h,在所得凝胶中加入20mL浓度为1mol/L的盐酸溶液,超声5min,抽滤、去离子水反复洗涤至中性,即得煤矸石基二氧化硅湿凝胶;
(2)从废旧办公废纸中提取纤维素,方法同实施例1;
(3)将煤矸石基二氧化硅湿凝胶和纤维素同时放入烧杯,其中二氧化硅湿凝胶干基与纤维素干基的质量比1:1;然后倒入已预冷至-13℃的含有18 %氢氧化钠和5%尿素的水溶液,固液质量比为1:50,室温条件下剧烈搅拌25min;
(4)将步骤(3)混合粘稠溶液倒入模具,放置于已升温至50℃的鼓风干燥箱中干燥24h,让混合粘稠溶液形成具有网络空间结构的固形物;
(5)将步骤(4)固形物取出,倒入200mL、6mol/L的硫酸溶液中,静置80min,让均匀分布在纤维素网络间的硅酸钠在酸性条件下原位形成二氧化硅颗粒;
(6)将步骤(5)固形物反复浸入去离子水中反复浸泡洗涤至固形物pH值为中性,以除去氢氧化钠、尿素、硫酸等残余物;冷冻干燥,即得具有互穿网络结构的二氧化硅/纤维素复合多孔材料;
(7)将12mg二氧化硅/纤维素复合多孔材料放入氧化铝坩埚置于TGA天平上,在氮气气氛下,复合多孔材料从室温升温至110℃并保持12h以脱除样品中吸附的水、CO2等杂质,然后系统降温至25℃并维持12h以使系统稳定,待系统稳定后将氮气流切换为纯CO2气流直至样品质量不再增加,CO2吸附容量可达19%,本实施例制得的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的在TGA仪器上测定的CO2捕集曲线图见图3。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然本发明不限于以上实施例,还可以有许多变化。在无机/有机复合多孔材料的制备领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变化,如硅藻土、高岭土、玄武岩等制备二氧化硅湿凝胶,如废旧卡纸、废旧牛皮纸、废旧挂面纸等提纯纤维素等,在其他温度和压力下的CO2捕集应用等均应认为是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其特征在于:以碱/尿溶液为溶剂,一步法同时溶解二氧化硅和纤维素,然后二氧化硅颗粒在纤维素表面原位形成制备二氧化硅/纤维素复合多孔材料,具体步骤如下:
(1)从废纸中提取纤维素;
(2)将二氧化硅湿凝胶和步骤(1)中纤维素同时放入烧杯中,然后加入已预冷至-13℃的碱/尿溶液,室温条件下搅拌15~30min,其中二氧化硅湿凝胶干基与纤维素干基的质量比3:1~0.1:1,固液质量比为1:20~1:50;
(3)将步骤(2)混合粘稠溶液倒入模具中,采用相分离法让混合粘稠溶液形成具有网络空间结构的固形物;
(4)将步骤(3)固形物取出,放入0.5~6 mol/L的酸溶液中,静置5~240min,让均匀分布在纤维素网络间的硅酸钠在酸性条件下原位形成二氧化硅颗粒;
(5)取出步骤(4)中的固形物浸入去离子水中反复浸泡洗涤至固形物pH值为中性,制得中性水凝胶;中性水凝胶干燥后,即得具有互穿网络结构的二氧化硅/纤维素复合多孔材料。
2.根据权利要求1所述二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其特征在于:二氧化硅湿凝胶是按质量比1:1.2的比例将粉煤灰或煤矸石、碳酸钠混合均匀后,置于800℃下焙烧2h,取出冷至室温后,按1g焙烧产物添加7~9mL盐酸溶液的比例在焙烧产物中边搅拌边加入3mol/L的盐酸溶液,待充分溶解后,过滤,滤液置于90℃下进行溶胶-凝胶2h,在所得凝胶中加入20mL浓度为1mol/L的盐酸溶液,超声5min,抽滤、去离子水反复洗涤至中性,即得二氧化硅湿凝胶。
3.根据权利要求1所述二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其特征在于:碱/尿溶液为氢氧化钠-尿素溶液、氢氧化钠-硫脲溶液、氢氧化锂-尿素溶液、氢氧化锂-硫脲溶液中的一种,氢氧化钠在溶液中的质量浓度为3%~30%,尿素在溶液中的质量浓度为2%~20%;LiOH在溶液中的质量浓度为2%~15%,硫脲在溶液中的质量浓度为2%~30%。
4.根据权利要求1所述二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其特征在于:废纸为废旧瓦楞纸、废旧新闻纸、废旧书报杂志或办公废纸。
5.根据权利要求1所述二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其特征在于:相分离法为溶剂蒸发法、热诱导相分离法、浸入沉淀法或气相沉淀法。
6.根据权利要求1所述二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法,其特征在于:酸溶液为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸或乙酸溶液。
7.权利要求1-6中任一项所述的二氧化硅/纤维素复合多孔材料的制备方法制得的二氧化硅/纤维素复合多孔材料在吸收捕集CO2中的应用。
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