CN113372078A - 一种捕获二氧化碳的功能饰面材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于绿色环保饰面材料制备技术领域，具体涉及一种捕获二氧化碳的功能饰面材料及制备方法。一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，包括以下重量份组分：40~50份硅铝相材料，20~30份氢氧化钙，15~20份氧化钙，10~15份偏硅酸钠，2~4份色素，5~8份有机乳液，2~4份活性酶载体。本发明的捕获二氧化碳的功能饰面材料形成了氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝硅酸钙、碳酸酐酶载体等多个可捕获二氧化碳矿物结构与催化剂；有利于二氧化碳捕获的碱性环境，并利用姜黄色素的颜色变化诊断捕碳能力，实现饰面材料的可持续捕碳；原材料来源广泛、制作加工方便、硬化速度快、耐久性好，在建筑涂料、耐高温防火涂料等领域有广阔的应用前景。

Description

一种捕获二氧化碳的功能饰面材料及制备方法
技术领域
本发明属于绿色环保饰面材料制备技术领域，具体涉及一种捕获二氧化碳的功能饰面材料及制备方法。
背景技术
二氧化碳产生的温室效应已经成为全球最为热点的大气环境问题，国际社会就控制温室气体排放和减缓全球变暖开展了广泛的技术研发与实践。据国际气候环境研究中心报告，2015年我国的二氧化碳排放总量已经居世界首位。我国向世界宣布2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的目标。这意味着到2060年，中国经济社会活动所必需的碳排放，将通过森林碳汇和其他人工技术手段加以捕集利用或封存，而使排放到大气中的温室气体净增量为零。
目前，二氧化碳捕获技术可以分为化学吸收、物理吸收、物理吸附、膜分离、深冷分离等多种方式。与其他几种技术相比，化学吸收捕获量大，易于封存，且安全系数高；尤其是矿物碳酸化捕获二氧化碳，其原料来源广泛，可操作性强，具有较大优势。基于此，本发明提出一种新型的捕获二氧化碳的功能饰面材料制备方法。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种捕获二氧化碳的功能饰面材料及制备方法。利用饰面材料中氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝硅酸钙捕获二氧化碳，以解决二氧化碳的排放引起气候变化，导致极端气候事件频发的难题，为二氧化碳捕获提供新的技术方案。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，包括以下重量份组分：
40~50份硅铝相材料，20~30份氢氧化钙，15~20份氧化钙，10~15份偏硅酸钠，2~4份色素，5~8份有机乳液，2~4份活性酶载体。
进一步地，所述硅铝相材料为富含活性硅、铝元素的材料，按照重量百分比，硅含量大于35%，铝含量大于10%，具体为矿渣、粉煤灰和高岭土中的一种或多种混合。
进一步地，所述氢氧化钙、氧化钙和偏硅酸钠为市售的工业原料。
进一步地，所述色素为姜黄色素；其中，姜黄色素可实现不同pH值环境下的变色，在偏酸性环境中呈浅黄色，在碱性环境中呈棕黄色。
进一步地，所述有机乳液为苯乙烯-丙烯酸酯乳液，其中固体含量40~50%，粘度80~2000mPa·s，pH值大于8。
一种捕获二氧化碳的功能饰面材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、硅铝相材料去除杂质，干燥。
步骤2、将硅铝相材料、氢氧化钙、氧化钙、偏硅酸钠和色素等原材料混合均匀，粉磨后获得多元复合粉体。
步骤3、多元复合粉体与水在搅拌机中进行水化反应，得到浆体。
步骤4、活性酶载体制备方法：称取50mg纳米二氧化硅载体加到5mL溶有20mmol/L碳酸酐酶的磷酸二氢钠缓冲液（pH8.0）中，25℃水浴摇床孵育4小时，结束后用缓冲液清洗3次，所得即为活性酶载体。
步骤5、将浆体与有机乳液、活性酶载体混合搅拌后即制成饰面材料。
进一步地，步骤1中的去除方式为人为去除表面树叶、砾石等杂质，干燥温度为105℃、时间为2~8小时。
进一步地，步骤2中粉磨后的混合粉末粒径小于150μm。
进一步地，步骤3中用水量为复合粉体质量的40%~55%，搅拌速度为1000-2000转/分，搅拌时间为10-20分。
进一步地，步骤5中有机乳液的用量为浆体质量的5%~8%，活性酶载体的用量为浆体质量的2%~4%，搅拌速度为1000-2000转/分，搅拌时间为10-20分。
本发明的原理：本发明首先通过原材料中的氢氧化钙、氧化钙与水反应，为反应环境提供了足够的OH-基团；其次，高碱环境逐步将原材料中的硅铝相材料、偏硅酸钠解聚成Al(OH)4 -与Si(OH)4等单体；再次，逐步反应生成氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶（C-S-H）等水化产物；与此同时，Al(OH)4 -与Si(OH)4等单体聚合形成多孔的水化铝硅酸钙凝胶（C-A-S-H），上述产物具备捕获二氧化碳的功能。此外，活性酶载体（CAS）可催化促进二氧化碳向碳酸氢盐与碳酸盐转变，提升捕获效率；色素可实现饰面材料随着碳捕获进程表征捕获能力的可持续性。最后，掺入的有机乳液可保障饰面材料制备过程中浆体的表面活性与抗裂性能。其具体二氧化碳捕获原理反应方程式如下：
Ca(OH)2+CO2→CaCO3
C-S-H+CO2→CaCO3·SiO2·H2O
C-A-S-H+CO2→CaCO3·SiO2·Al2O3·H2O
CO2+H2O→（CAS催化）→HCO3 -+H+
与现有技术相比，本发明的有益效果为。
（1）本发明的饰面材料形成了氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝硅酸钙、碳酸酐酶载体等多个可捕获二氧化碳矿物结构与催化剂。
（2）本发明的饰面材料构造了有利于二氧化碳捕获的碱性环境，并利用姜黄色素的颜色变化诊断捕碳能力，实现饰面材料的可持续捕碳。
（3）本发明原材料来源广泛、制作加工方便、硬化速度快、耐久性好，在建筑涂料、耐高温防火涂料等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的捕获二氧化碳功能饰面材料在捕获二氧化碳后的红外光谱。
图2为本发明实施例1获得的捕获二氧化碳功能饰面材料在捕获二氧化碳后的综合热分析。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，包括以下重量份组分：
40~50份硅铝相材料，20~30份氢氧化钙，15~20份氧化钙，10~15份偏硅酸钠，2~4份色素，5~8份有机乳液，2~4份活性酶载体。
进一步地，所述硅铝相材料为富含活性硅、铝元素的材料，按照重量百分比，硅含量大于35%，铝含量大于10%，具体为矿渣、粉煤灰和高岭土中的一种或多种混合。
进一步地，所述氢氧化钙、氧化钙和偏硅酸钠为市售的工业原料。
进一步地，所述色素为姜黄色素；其中，姜黄色素可实现不同pH值环境下的变色，在偏酸性环境中呈浅黄色，在碱性环境中呈棕黄色。
进一步地，所述有机乳液为苯乙烯-丙烯酸酯乳液，其中固体含量40~50%，粘度80~2000mPa·s，pH值大于8。
一种捕获二氧化碳的功能饰面材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、硅铝相材料去除杂质，干燥。
步骤2、将硅铝相材料、氢氧化钙、氧化钙、偏硅酸钠和色素等原材料混合均匀，粉磨后获得多元复合粉体。
步骤3、多元复合粉体与水在搅拌机中进行水化反应，得到浆体。
步骤4、活性酶载体为制备方法：称取50mg纳米二氧化硅载体加到5mL溶有20mmol/L碳酸酐酶的磷酸二氢钠缓冲液（pH8.0）中，25℃水浴摇床孵育4小时，结束后用缓冲液清洗3次，所得即为活性酶载体。
步骤5、将浆体与有机乳液、活性酶载体混合搅拌后即制成饰面材料。
进一步地，步骤1中的去除杂质为人为去除表面树叶、砾石等杂质，干燥温度为105℃、时间为2~8小时。
进一步地，步骤2中粉磨后的混合粉末粒径小于150μm。
进一步地，步骤3中用水量为复合粉体质量的40%~55%，搅拌速度为1000-2000转/分，搅拌时间为10-20分。
进一步地，步骤5中有机乳液的用量为浆体质量的5%~8%，活性酶载体的用量为浆体质量的2%~4%，搅拌速度为1000-2000转/分，搅拌时间为10-20分。
实施例1。
①矿渣：辽宁矿渣微粉有限责任公司。
②氢氧化钙、氧化钙、偏硅酸钠：化学纯，沈阳化工集团有限公司。
③色素：姜黄色素，山东富禾生物科技公司。
④水：沈阳市自来水。
⑤苯乙烯-丙烯酸酯乳液：沈阳化工集团有限公司。
步骤1、将矿渣中杂质去除，在105℃干燥2小时，将50份矿渣、20份氢氧化钙、15份氧化钙、12份偏硅酸钠和3份色素混合并搅拌均匀，并粉磨至150微米以下。
步骤2、将步骤1的多元复合粉体在105℃干燥8小时后，转移到搅拌机中，并加入粉体质量百分比为55%的自来水，搅拌速度1000转/分钟，搅拌时间15分钟，得到浆体，
步骤3、称取50mg纳米二氧化硅载体加到5mL溶有20mmol/L碳酸酐酶的磷酸二氢钠缓冲液（pH8.0）中，25℃水浴摇床孵育4小时，结束后用缓冲液清洗3次，所得即为活性酶载体。
步骤4、再在步骤2的浆体中加入5份有机乳液与3份的活性酶载体，搅拌速度2000转/分、搅拌时间20分钟，最终得到的硬化体即为具有二氧化碳捕获功能的饰面材料。
将获得的饰面材料进行X射线衍射分析与红外光谱分析，其捕获二氧化碳后的产物为碳酸钙；通过综合热分析发现其二氧化碳固化率可达19%。
实施例2。
①粉煤灰：沈阳绿建粉煤灰。
②氢氧化钙、氧化钙、偏硅酸钠：化学纯，沈阳化工集团有限公司。
③色素：姜黄色素，山东富禾生物科技公司。
④水：沈阳市自来水。
⑤苯乙烯-丙烯酸酯乳液，沈阳化工集团有限公司。
步骤1、将矿渣中杂质去除，在105℃干燥2小时，将40份矿渣、25份氢氧化钙、15份氧化钙、13份偏硅酸钠和2份色素混合并搅拌均匀，并粉磨至150微米以下。
步骤2、将步骤1的多元复合粉体在105℃干燥8小时后，转移到搅拌机中，并加入粉体质量百分比为55%的自来水，搅拌速度2000转/分钟，搅拌时间20分钟，得到浆体，
步骤3、称取50mg纳米二氧化硅载体加到5mL溶有20mmol/L碳酸酐酶的磷酸二氢钠缓冲液（pH8.0）中，25℃水浴摇床孵育4小时，结束后用缓冲液清洗3次，所得即为活性酶载体。
步骤4、再在步骤2的浆体中加入5份有机乳液与3份的活性酶载体，搅拌速度1000转/分、搅拌时间10分钟，最终得到的硬化体即为具有二氧化碳捕获功能的饰面材料。
将获得的饰面材料进行X射线衍射分析与红外光谱分析，其捕获二氧化碳后的产物为碳酸钙；通过综合热分析发现其二氧化碳固化率可达18%。
对比例1（常规吸收法）。
钙铝碳载体：首先，电石渣在800℃下煅烧10分钟。冷却后，逐滴加入蒸馏水以减小氧化钙水合放热对碳载体制备的影响。其次，按质量掺量15%加入高铝水泥，形成混合粉体。再次，量取50mL生物柴油副产物并在60℃恒温水浴磁力搅拌器上搅拌1小时。将搅拌后的液体移入混合粉体，在900℃中燃烧2小时，得到的产物即为钙铝碳载体。通过热重分析法，钙铝碳载体的二氧化碳捕获效率为14%。该方法利用电石渣等钙基材料煅烧所得产物氧化钙作为碳载体用于捕集二氧化碳，同时生成的碳酸钙可重复分解为氧化钙再次利用。固碳效率为3.5%。
与本发明相比，该方法在制备捕获二氧化碳饰面材料时，需要通过煅烧产生氧化钙，再进行捕获，能耗高污染重。而本发明在常温下即可制备捕获二氧化碳饰面材料，并利用多个产物以及催化剂进行二氧化碳捕获。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，包括以下重量份组分：
40~50份硅铝相材料，20~30份氢氧化钙，15~20份氧化钙，10~15份偏硅酸钠，2~4份色素，5~8份有机乳液，2~4份活性酶载体。
2.如权利要求1所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，其特征在于，所述硅铝相材料为富含活性硅、铝元素的材料，按照重量百分比，硅含量大于35%，铝含量大于10%，具体为矿渣、粉煤灰和高岭土中的一种或多种混合。
3.如权利要求1所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，其特征在于，所述氢氧化钙、氧化钙和偏硅酸钠为市售的工业原料。
4.如权利要求1所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，其特征在于，所述色素为姜黄色素；其中，姜黄色素可实现不同pH值环境下的变色，在偏酸性环境中呈浅黄色，在碱性环境中呈棕黄色。
5.如权利要求1所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料，其特征在于，所述有机乳液为苯乙烯-丙烯酸酯乳液，其中固体含量40~50%，粘度80~2000mPa·s，pH值大于8。
6.一种捕获二氧化碳的功能饰面材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、硅铝相材料去除杂质，干燥；
步骤2、将硅铝相材料、氢氧化钙、氧化钙、偏硅酸钠和色素混合均匀，粉磨后获得多元复合粉体；
步骤3、多元复合粉体与水在搅拌机中进行水化反应，得到浆体；
步骤4、活性酶载体制备方法：称取50mg纳米二氧化硅载体加到5mL溶有20mmol/L碳酸酐酶的磷酸二氢钠缓冲液（pH8.0）中，25℃水浴摇床孵育4小时，结束后用缓冲液清洗3次，所得即为活性酶载体；
步骤5、将浆体与有机乳液、活性酶载体混合搅拌后即制成饰面材料。
7.如权利要求6所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料的制备方法，其特征在于，步骤1中的去除方式为人为去除表面树叶、砾石等杂质，干燥温度为105℃、时间为2~8小时。
8.如权利要求6所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料的制备方法，其特征在于，步骤2中粉磨后的混合粉末粒径小于150μm。
9.如权利要求6所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料的制备方法，其特征在于，步骤3中用水量为复合粉体质量的40%~55%，搅拌速度为1000-2000转/分，搅拌时间为10-20分。
10.如权利要求6所述的一种捕获二氧化碳的功能饰面材料的制备方法，其特征在于，步骤5中有机乳液的用量为浆体质量的5%~8%，活性酶载体的用量为浆体质量的2%~4%，搅拌速度为1000-2000转/分，搅拌时间为10-20分。
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