CN113786810A - 一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法及其应用 - Google Patents

一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法及应用，制备方法包括以下步骤：步骤1，无水乙醇和浓酸按体积比为5:1配置混合溶液，加入60％混合溶液重量预先洗净干燥的活性炭纤维，在80℃条件下，磁力搅拌180r/min下进行反应；步骤2，待步骤1反应结束，冷却至室温后进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维；步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维和环己烷溶剂按1:3体积比加入容器中，搅拌均匀，在搅拌条件下滴加活性炭纤维50wt％的硅烷偶联剂，升温至70℃进行回流反应6h，将样品洗涤干燥，得到最终产品。

Description

一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于碳捕集技术领域，具体涉及一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法及其在CO2捕集中的应用。
背景技术
持续大量的CO2排放导致全球气候变化加剧，世界各国开始通过多项行政、经济和技术手段方法，逐步加强碳减排。在全球共同应对气候变化的背景下，碳捕集被看作一种重要的温室气体减排方案。在众多的碳捕集技术中，吸收法具有技术成熟、工艺及设备简单等优势，但也存在吸收剂再生能耗较大、设备易腐蚀等问题，限制了其工业应用。与吸收法相比，吸附法具有吸附剂回收再生能耗低以及无设备腐蚀性等优点，因此在CO2捕集领域发展迅速。
在吸附工艺中广泛应用的设备是固定床，其结构简单，操作简便，被广泛采用。由于吸附剂容量有限，一般是两床或三床交替使用，需要频繁地切换固定床。相比固定床吸附工艺而言，沸石转轮吸附工艺是一种较为新型和小众的吸附工艺，一般用于在VOCs废气的吸附浓缩，沸石转轮是由具有蜂窝状的沸石分子筛构成，轮面分为吸附区、再生区和冷却区，与固定床相比，沸石转轮的吸附和脱附可在同一个轮面上连续完成，不需要进行装置间切换就可实现连续的碳捕集和再生。活性炭纤维吸附VOCs时常需要较高温度下进行脱附再生，引起活性炭燃烧和爆炸等问题，采用沸石的优点是安全性能好，采用热气流再生时不易发生着火现象。但是沸石分子筛的吸附量小于活性炭。考虑到CO2脱附温度低于VOCs的脱附温度，因此使用活性炭纤维吸附剂在安全性方面具有可行性。因此，若活性炭纤维为蜂窝状转轮，则兼具沸石转轮的可连续运行和活性炭纤维的大吸附容量，并且不会存在安全问题。在CO2性能中，选择性至关重要，采用氨基修饰常用于提高提高吸附剂对CO2的选择性。此外，废气中常含有水汽，因此吸附剂的抗水性能至关重要，对活性炭纤维进行疏水改性可以解决这一问题。
CN201510674326.7公开了一种胺修饰的纤维膜状吸附材料及其制备方法。本发明以聚丙烯腈粉末为基质,采用固相接枝聚合和胺化反应制备液体基质,然后经过静电纺丝制得新型纤维膜状吸附材料。该制备方法简单、胺化效率高,并能够节约大量溶胀剂和胺化试剂,吸附材料具有高亲水性表面,能够应用于平板膜滤组件中,当水通过纤维膜时,表面基团可高效的吸附去除水中多种重金属离子,且吸附饱和后的纤维膜经过脱附再生后可重复使用。
CN201610409244.4公开了一种秸秆基固态胺二氧化硫吸附剂及其制备和使用方法,包括以下内容：采用克拉克甲基化反应对聚乙烯胺进行改性，将其加入至甲醇溶液中溶解得到混合溶液；秸秆经洗涤、烘干、粉碎后加入到混合溶液中浸渍,干燥后即可制得到用于SO2吸附的秸秆基固态胺。在使用吸附剂时,用水浸湿对SO2气体吸附操作。在N2气流和90～120℃下对吸附剂进行加热再生。本发明稻草秸秆的应用开辟了一个全新途径,同时将固态胺吸附剂应用到二氧化硫的处理过程,提高了秸秆价值,也为吸附净化SO2气体提供了一种新的吸附剂,丰富了SO2吸附剂的类型。
发明内容
活性炭吸附CO2时存在选择性和抗水性能较差的问题，针对现有的技术问题，本发明采用氨基硅烷偶联剂溶液对活性炭纤维进行改性,再经洗涤和干燥,通过一步反应使活性炭纤维表面同时增加氨基功能基团和疏水性碳氢链，提高活性炭纤维对CO2分子的吸附选择性和抗水性能，有利于活性炭纤维转轮的生产及CO2吸附的推广应用。本发明的目的在于提供一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法及其在CO2捕集中的应用。
为解决现有技术问题，一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，无水乙醇和浓酸按体积比为5:1配置混合溶液，加入60％混合溶液重量预先洗净干燥的活性炭纤维，在80℃条件下，磁力搅拌180r/min下进行反应；
步骤2，待步骤1反应结束，冷却至室温后进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维和环己烷溶剂按1:3体积比加入容器中，搅拌均匀，在搅拌条件下滴加活性炭纤维50wt％的硅烷偶联剂，升温至70℃进行回流反应6h，将样品洗涤干燥，得到疏水改性的活性炭纤维。采用同时含有碱性氨基和疏水性烷基的氨基硅烷偶联剂对活性炭纤维进行改性，可通过一步反应使活性炭纤维表面同时增加碱性吸附位点和疏水性碳氢链，提高活性炭纤维对CO2分子的吸附选择性和抗水性能。
步骤1中浓酸为18mol/L的浓硫酸。
步骤2中采用无水乙醇进行洗涤。
步骤3中采用的硅烷偶联剂是氨基硅烷偶联剂。
一种根据上述方法制备的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂及其在CO2捕集中的应用。
有益效果：本发明采用同时含有碱性氨基和疏水性烷基的氨基硅烷偶联剂对活性炭纤维进行改性，具有如下优势：采用氨基硅烷偶联剂溶液对活性炭纤维进行一步法改性，同时在活性炭纤维表面增加氨基功能基团和碳氢链，氨基功能基团为碱性吸附位点，碳氢链为疏水基团，两者分别提高活性炭纤维对CO2分子的吸附选择性和抗水性能。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种胺修饰疏水性活性炭纤维的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，按体积比为5:1配置无水乙醇和18mol/L的浓硫酸的混合溶液，加入60％混合溶液重量预先洗净干燥的活性炭纤维，在80℃条件下，磁力搅拌180r/min下进行反应；
步骤2，反应结束后待降至室温后采用无水乙醇进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维(OACF)；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维(OACF)和环己烷溶剂按1:3体积比加入三口烧瓶中，搅拌均匀，在搅拌条件下滴加活性炭纤维50wt％的具有疏水性和CO2吸附选择性的氨基硅烷偶联剂KH-550，升温进行回流反应，而后将样品洗涤干燥，得到疏水改性的活性炭纤维，标记为OACF-550H；
上述方法制备的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂及其在CO2捕集中的应用。
实施例2
一种胺修饰疏水性活性炭纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按体积比为5:1配置无水乙醇和18mol/L的浓硫酸的混合溶液，加入60％混合溶液重量预先洗净干燥的活性炭纤维，在80℃条件下，磁力搅拌180r/min下进行反应；
步骤2，反应结束后待降至室温后采用无水乙醇进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维(OACF)；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维(OACF)和环己烷溶剂按1:3体积比加入三口烧瓶中，搅拌均匀，在搅拌条件下滴加活性炭纤维50wt％的具有疏水性和CO2吸附选择性的氨基硅烷偶联剂KH-602，升温进行回流反应，而后将样品洗涤干燥，得到疏水改性的活性炭纤维,标记为OACF-602H；
上述方法制备的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂及其在CO2捕集中的应用。
实施例3
一种胺修饰疏水性活性炭纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，步骤1，按体积比为5:1配置无水乙醇和18mol/L的浓硫酸的混合溶液，加入60％混合溶液重量预先洗净干燥的活性炭纤维，在80℃条件下，磁力搅拌180r/min下进行反应；
步骤2，反应结束后待降至室温后采用无水乙醇进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维(OACF)；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维(OACF)和环己烷溶剂按1:3体积比加入三口烧瓶中，搅拌均匀，在搅拌条件下滴加活性炭纤维50wt％的滴加具有疏水性和CO2吸附选择性的氨基硅烷偶联剂KH-792，升温进行回流反应，而后将样品洗涤干燥，得到疏水改性的活性炭纤维,标记为OACF-792H；
上述方法制备的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂及其在CO2捕集中的应用。
对比例1
步骤1，配置无水乙醇和18mol/L的浓硫酸的混合溶液，加入预先洗净干燥的活性炭纤维(ACF)，在加热和磁力搅拌作用下进行反应；
步骤2，反应结束后待降至室温后采用无水乙醇进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维(OACF)；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维(OACF)和去离子水加入三口烧瓶中，搅拌均匀后在搅拌的条件下滴加具有疏水性和CO2吸附选择性的氨基硅烷偶联剂KH-550，升温进行回流反应，而后将样品洗涤干燥，得到疏水改性的活性炭纤维，标记为OACF-550W；
上述方法制备的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂及其在CO2捕集中的应用。
对比例2
步骤1，配置无水乙醇和18mol/L的浓硫酸的混合溶液，加入预先洗净干燥的活性炭纤维(ACF)，在加热和磁力搅拌作用下进行反应；
步骤2，反应结束后待降至室温后采用无水乙醇进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维(OACF)；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维(OACF)和去离子水加入三口烧瓶中，搅拌均匀后在搅拌的条件下滴加具有疏水性和CO2吸附选择性的氨基硅烷偶联剂KH-602，升温进行回流反应，而后将样品洗涤干燥，得到疏水改性的活性炭纤维，标记为OACF-602W；
上述方法制备的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂及其在CO2捕集中的应用。
对比例3
步骤1，配置无水乙醇和18mol/L的浓硫酸的混合溶液，加入预先洗净干燥的活性炭纤维(ACF)，在加热和磁力搅拌作用下进行反应；
步骤2，反应结束后待降至室温后采用无水乙醇进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维(OACF)；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维(OACF)和去离子水加入三口烧瓶中，搅拌均匀后在搅拌的条件下滴加具有疏水性和CO2吸附选择性的氨基硅烷偶联剂KH-792，升温进行回流反应，而后将样品洗涤干燥，得到疏水改性的活性炭纤维，标记为OACF-792W；
上述方法制备的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂及其在CO2捕集中的应用。
上述方法制备的活性炭纤维母体以及胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的比表面积和孔结构参数采用比表面积及孔体积测试仪在液氮温度(-196℃)下进行测试。样品的CO2吸附量和 CO2/N2吸附选择性测试也在比表面及孔体积测试仪中进行，测试压力控制约为0-0.12MPa，测试温度为0℃(采用冰水浴控温)，测试结果如表1所示。
表1活性炭纤维和不同方法制备胺修饰疏水性活性炭纤维的比表面积、CO2吸附量、选择性以及抗水性能
Figure BDA0003248504090000051
由表1可见，活性炭纤维母体OACF-raw的比表面积、CO2吸附量和选择性分别为947m2/g、 0.93mmol/g和3.7，水汽存在时CO2吸附量下降24％。采用环己烷为溶剂对活性炭纤维进行氨基硅烷改性后，三个样品的比表面积均有下降，而CO2吸附量和吸附选择性明显提高， OACF-602H具有最小比表面积(736m2/g)、最大CO2吸附量(3.76mmol/g)和选择性(14.5)，三个样品在水汽存在时CO2吸附量下降程度均低于5％。采用去离子水溶剂对活性炭纤维进行氨基硅烷改性后，三个样品的比表面积下降幅度变小，CO2吸附量和吸附选择性的上升幅度也随之变小；三个样品在水汽存在时CO2吸附量下降程度均高于8％。

Claims (5)

1.一种胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，无水乙醇和浓酸按体积比为5:1配置混合溶液，加入60％混合溶液重量预先洗净干燥的活性炭纤维，在80℃条件下，磁力搅拌180r/min下进行反应；
步骤2，待步骤1反应结束，冷却至室温后进行洗涤、干燥，得到氧化改性活性炭纤维；
步骤3，将步骤2中得到的氧化改性活性炭纤维和环己烷溶剂按1:3体积比加入容器中，搅拌均匀，在搅拌条件下滴加活性炭纤维50wt％的硅烷偶联剂，升温至70℃进行回流反应6h，将样品洗涤干燥，得到最终产品。
2.根据权利要求1中所述的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法，其特征在于步骤1中浓酸为18mol/L的浓硫酸。
3.根据权利要求1中所述的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法，其特征在于步骤2中采用无水乙醇进行洗涤。
4.根据权利要求1中所述的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法，其特征在于步骤3中采用的硅烷偶联剂是氨基硅烷偶联剂。
5.一种根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的制备方法制得的胺修饰疏水性活性炭纤维吸附剂的应用，用于CO2捕集。
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