CN113694691B - 一种含金属的单原子流体制备方法 - Google Patents

一种含金属的单原子流体制备方法 Download PDF

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Abstract

一种含金属的单原子流体制备方法，将聚偏二氟乙烯与N,N‑二甲基甲酰胺溶液经过一定时间搅拌混合后，加入金属固体粉末，经过充分常温搅拌，得到分散有金属原子的悬浊液，将聚苯胺和氮氧自由基哌啶醇/PyBIG加入金属原子的悬浊液中，再经过充分常温搅拌，金属原子充分分散在溶液中，得到含有金属的单原子流体。通过长时间的常温充分搅拌过程，本专利仅用简单的操作就制备出了含有金属的单原子流体。这种制备工艺方法简单，较容易实现大规模工业化生产。本发明制备流程人工耗时短，产率高，能有效提高工作效率。该含有分散金属的单原子流体能够应用在电厂烟道气二氧化碳捕集中，对于二氧化碳的吸收与解吸有很好的效果。

Description

一种含金属的单原子流体制备方法
技术领域
本发明涉及工艺设计领域，具体涉及一种含金属的单原子流体制备方法。
背景技术
随着全球气温逐渐变暖，温室气体的治理问题已经成为各界所关注的重点，温室气体导致的气温上升、冰川融化、海平面升高等问题已经威胁到人类的生存，成为全球亟待解决的问题。CO2约占温室气体的60％，燃煤电厂是CO2的主要排放源头。燃煤每发1度电要排放出1kg CO2，CO2的排放量正随着人类对化石能源的依赖性增长而迅速增长。然而，化石燃料燃烧所产生的CO2占人类活动造成的CO2排放总量的四分之三，化石燃料储量丰富，未来几十年内仍然会是我国甚至全球主要能源。为了防止大量的CO2释放到大气中，减轻化石燃料使用过程中对全球变暖造成的影响，碳捕集和封存技术(CCS)成为可能的解决二氧化碳排放的手段。
目前化学吸收法是二氧化碳捕集中最常用也是最成熟的方法，发展新型的二氧化碳捕集溶剂是科学届的一大热点。
高效的吸收溶剂是化学吸收法捕集二氧化碳技术的关键，目前应用最广泛的属有机醇胺溶液，有机醇胺溶液以其较高的吸收速率和容易获得的特性在目前已有的火电厂二氧化碳捕集工业上备受关注，但是由于有机醇胺溶液吸收二氧化碳后解吸过程会消耗大量的蒸汽，导致再生能耗过高，系统运行成本居高不下，因此对于新型的再生能耗低、稳定性好的二氧化碳捕集溶剂的制备成为二氧化碳捕集绿色溶剂开发的关键。
如上所述，采用醇胺法的吸收剂再生能耗高形成工业大规模应用的一大阻碍，因此寻找低能耗且吸收性能稳定的二氧化碳捕集溶剂成为当下的研究热点。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种含金属的单原子流体制备方法，可用于二氧化碳捕集同时解决二氧化碳解吸再生能耗高的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种含金属的单原子流体制备方法，括以下步骤：
(1)将聚偏氟乙烯溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，得到单原子流体的溶剂；
(2)向单原子流体的溶剂中加入金属粉末，搅拌均匀，得到含有分散金属的悬浊溶液；
(3)向含有分散金属的悬浊液中加入聚苯胺，并向悬浊液中加入氮氧自由基哌啶醇或PyBIG，搅拌均匀，得到含金属的单原子流体。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，聚偏氟乙烯的质量和N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量之比为1:8-1:12。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，搅拌的条件为：温度为20-30℃，压力为0.1MPa，搅拌时间为2-4h。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，金属粉末为铬或铂。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，金属粉末的质量和单原子流体的溶剂的质量之比1:4500-1:5500。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，搅拌的条件为：温度为20-30℃，压力为0.1MPa，搅拌时间为10-12h。
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，聚苯胺的质量和悬浊液的质量之比为1:150-1:250，
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，氮氧自由基哌啶醇和悬浊液的质量之比1:180-1:200，PyBIG和悬浊液的质量之比1:180-1:200。
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，搅拌的条件为：温度为20-30℃，压力为0.1MPa，搅拌时间为10-12h。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
由于加入金属的单原子流体中含有N,N-二甲基甲酰胺、聚苯胺和氮氧自由基哌啶醇/PyBIG的混合溶剂以及有机导电聚合物，所以具有优良的电化学活性。本发明采用金属单原子与有机溶剂相结合的方法制备含有金属的单原子流体，使得简单的两步操作就可以制备出了具有吸收二氧化碳功能的金属单原子流体，制备方法简单，易于实现工业化生产。吸收二氧化碳的过程中基于反应热产生热电效应，在二氧化碳吸收塔中该混合溶剂基于反应热通过聚苯胺/氮氧自由基哌啶醇/PyBIG和单原子流体的作用产生热电效应，实验证明，以铜和石墨作为电极对单原子流体的电效应进行测试，20-25mL单原子流体可以产生0.2-0.3V稳定电压，既可以实现二氧化碳和氮氧化物的脱除，又可以产生电能减少能源消耗。在溶剂再生塔中通过新鲜含金属单原子流体的可导电作用实现溶剂的电化学再生，可以达到节能同时减排二氧化碳的目标，形成了低能耗下的二氧化碳捕集，具有大规模工业推广的应用价值。本发明不涉及大型制备装置，生产成本低。本发明在制备过程中不产生废液，所得到的单原子流体可以应用于电厂烟道气二氧化碳的捕集工艺中，对于二氧化碳的吸收和解吸有很好的效果，并且在捕集二氧化碳的过程中可以实现再生利用，是一种绿色可循环使用的新型复合流体。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程框图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细描述。
参见图1，本发明的一种含金属的单原子流体制备方法，包括以下步骤：
(1)称取一定量的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，聚偏氟乙烯的质量和N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量比为1:8-1:12，在温度为20-30℃，压力为0.1MPa的环境搅拌2-4h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。
(2)向上述单原子流体的溶剂中加入金属粉末铬或铂，所加金属粉末的质量和单原子流体的溶剂的质量之比1:4500-1:5500，在温度为20-30℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌10-12h，得到含有分散金属铬或铂原子的悬浊溶液。
(3)向含有分散金属铬或铂原子的悬浊液中加入聚苯胺，所加聚苯胺的质量和悬浊液的质量之比为1:150-1:250，同时向悬浊液中加入氮氧自由基哌啶醇或PyBIG(成分为吡啶-2,6-二亚氨基胍，PyBIG制备方法参见文献：Seipp C A,Williams N J,Kidder M K,et al.CO2 Capture from Ambient Air by Crystallization with a GuanidineSorbent[J].Angew Chem Int Ed Engl,2017,56(4):1042-1045.)，氮氧自由基哌啶醇或PyBIG的质量和悬浊液的质量之比1:180-1:200，在温度为20-30℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌10-12h，得到含金属的单原子流体。
(4)所得到的含有金属的单原子流体可以用于工业上捕集二氧化碳，吸收二氧化碳后的单原子流体和二氧化碳的配合物，可以通过单原子流体具有的电化学特性释放二氧化碳同时得到新鲜的单原子流体，实现循环使用。
本发明的含有金属铬或铂的单原子流体的制备方法工艺简单且操作方便，单原子流体可以应用于电厂烟道气二氧化碳的捕集工艺中，对于二氧化碳的吸收和解吸有很好的效果。
实施例1
称取2g的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，N,N-二甲基甲酰胺溶液的体积是20mL，其中在温度为20℃，压力为0.1MPa的环境搅拌2h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。
向单原子流体的溶剂中加入铬金属粉末，所加金属铬的质量为0.0044g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有分散金属铬的悬浊溶液。
向含有分散金属铬原子的悬浊液中加入聚苯胺，所加聚苯胺的质量为0.1g，此外，同时向悬浊液中加入氮氧自由基哌啶醇0.1g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有金属铬的单原子流体。
实施例2
称取2g的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，N,N-二甲基甲酰胺溶液的体积是20mL，其中在温度为20℃，压力为0.1MPa的环境搅拌2h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。
向单原子流体的溶剂中加入铂金属粉末，所加金属铂的质量为0.0045g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12小时，得到含有分散金属铂的悬浊溶液。
向含有分散金属铂原子的悬浊液中加入聚苯胺，所加聚苯胺的质量为0.1g，此外，同时向悬浊液中加入氮氧自由基哌啶醇0.1g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌10小时，得到含有金属铂的单原子流体。
实施例3
称取2g的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，N,N-二甲基甲酰胺溶液的体积是20mL，其中在温度为20℃，压力为0.1MPa的环境搅拌2h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。
向单原子流体的溶剂中加入铬金属粉末，所加金属铬的质量为0.0045g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有分散金属铬的悬浊溶液。
向含有分散金属铬原子的悬浊液中加入聚苯胺，所加聚苯胺的质量为0.1g，此外，同时向悬浊液中加入PyBIG(成分为吡啶-2,6-二亚氨基胍)0.1g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有金属铬的单原子流体。
实施例4
称取2g的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，N,N-二甲基甲酰胺溶液的体积是20mL，其中在温度为20℃，压力为0.1MPa的环境搅拌2h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。
向单原子流体的溶剂中加入铂金属粉末，所加金属铂的质量为0.0045g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有分散金属铂的悬浊溶液。
向含有分散金属铂原子的悬浊液中加入聚苯胺，所加聚苯胺的质量为0.1g，此外，同时向悬浊液中加入PyBIG(成分为吡啶-2,6-二亚氨基胍)0.1g，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有金属铂的单原子流体。
实施例5
称取2g的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在温度为25℃，压力为0.1MPa的环境搅拌2.5h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。其中，聚偏氟乙烯的质量和N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量比为1:8；
向单原子流体的溶剂中加入铂金属粉末，在温度为20℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌10h，得到含有分散金属铂的悬浊溶液。其中，铂金属粉末和单原子流体的溶剂的质量之比1:5000；
向含有分散金属铂原子的悬浊液中加入聚苯胺，同时向悬浊液中加入PyBIG(成分为吡啶-2,6-二亚氨基胍)，在温度为30℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有金属铂的单原子流体。其中，聚苯胺的质量和悬浊液的质量之比为1:150-1:250，PyBIG的质量和悬浊液的质量之比1:180。
实施例6
称取2g的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在温度为23℃，压力为0.1MPa的环境搅拌3h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。其中，聚偏氟乙烯的质量和N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量比为1:12；
向单原子流体的溶剂中加入铂金属粉末，在温度为24℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌11h，得到含有分散金属铂的悬浊溶液。其中，铂金属粉末和单原子流体的溶剂的质量之比1:4500；
向含有分散金属铂原子的悬浊液中加入聚苯胺，同时向悬浊液中加入PyBIG(成分为吡啶-2,6-二亚氨基胍)，在温度为27℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌11h，得到含有金属铂的单原子流体。其中，聚苯胺的质量和悬浊液的质量之比为1:150-1:250，PyBIG的质量和悬浊液的质量之比1:190。
实施例7
称取2g的聚偏氟乙烯充分溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，在温度为30℃，压力为0.1MPa的环境搅拌4h使二者混合均匀，混合均匀后得到的液体作为单原子流体的溶剂。其中，聚偏氟乙烯的质量和N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量比为1:10；
向单原子流体的溶剂中加入铂金属粉末，在温度为30℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌12h，得到含有分散金属铂的悬浊溶液。其中，铂金属粉末和单原子流体的溶剂的质量之比1:5500；
向含有分散金属铂原子的悬浊液中加入聚苯胺，同时向悬浊液中加入PyBIG(成分为吡啶-2,6-二亚氨基胍)，在温度为20℃，压力为0.1MPa的环境中搅拌10h，得到含有金属铂的单原子流体。其中，聚苯胺的质量和悬浊液的质量之比为1:150-1:250，PyBIG的质量和悬浊液的质量之比1:200。
本发明的优势在于：克服了传统二氧化碳捕集的常用溶剂再生能耗高的问题，利用金属单原子和混合溶剂及特殊导电物质制备含有金属的单原子流体，这种流体具有特殊的电化学活性和环境稳定性，与传统的乙醇胺作为吸收剂碳捕集(能耗约为3.5GJ/t CO2)相比，用于含有金属的单原子流体捕集二氧化碳可以使溶剂再生的能耗大大降低(能耗约为1.0～1.7GJ/tCO2能耗)，此外，本发明的操作简便，不涉及大型复杂装置，制备过程容易且金属单原子流体的优势明显，满足国内国际上对新型二氧化碳捕集物质的需求，在工业应用上有一定的环境和经济效益。

Claims (4)

1.一种含金属的单原子流体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将聚偏氟乙烯溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀，得到单原子流体的溶剂；其中，聚偏氟乙烯的质量和N,N-二甲基甲酰胺溶液的质量之比为1:8-1:12；其中，金属粉末的质量和单原子流体的溶剂的质量之比1:4500-1:5500；
（2）向单原子流体的溶剂中加入金属粉末，搅拌均匀，得到含有分散金属的悬浊溶液；其中，金属粉末为铬或铂；搅拌的条件为：温度为20-30℃，压力为0.1MPa，搅拌时间为10-12h；
（3）向含有分散金属的悬浊液中加入聚苯胺，并向悬浊液中加入氮氧自由基哌啶醇或PyBIG，搅拌均匀，得到含金属的单原子流体；其中，搅拌的条件为：温度为20-30℃，压力为0.1MPa，搅拌时间为10-12h。
2.根据权利要求1所述的一种含金属的单原子流体制备方法，其特征在于，步骤（1）中，搅拌的条件为：温度为20-30℃，压力为0.1MPa，搅拌时间为2-4h。
3.根据权利要求1所述的一种含金属的单原子流体制备方法，其特征在于，步骤（3）中，聚苯胺的质量和悬浊液的质量之比为1:150-1:250。
4.根据权利要求1所述的一种含金属的单原子流体制备方法，其特征在于，步骤（3）中，氮氧自由基哌啶醇和悬浊液的质量之比1:180-1:200，PyBIG和悬浊液的质量之比1:180-1:200。
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