CN114160092B - 一种碱性废水改性粉煤灰吸附剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碱性废水改性粉煤灰吸附剂及其制备方法，具体步骤如下：将含KHCO3、K2CO3和KCl的废水在80℃下浓缩至表面出现晶体膜层，通入含有CO2的废气，K2CO3吸收CO2后转化为难溶的KHCO3，在65℃下保温结晶，析出KHCO3沉淀，经离心实现KHCO3晶体与KCl溶液的分离；将KHCO3晶体加热到300℃转变为K2CO3、水和纯的CO2，分解产生的CO2收集储存起来；称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥12 h；称取2g粉煤灰加入到20mL浓度为10wt%‑30wt%的K2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；将干燥后的样品置于马弗炉中在400°C下煅烧4h，升温速率为10℃/min，得到的样品标记为K2CO3(10)‑CA。
Description
技术领域
本发明属于资源利用与碳捕集技术领域，具体涉及一种碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法及其应用。
背景技术
二氧化碳的排放是全球变暖的主要元凶，近年来全球燃料燃烧产生二氧化碳年排放量持续超过300亿吨，碳减排的重要性不言而喻，2020年，中国提出双碳目标，2021年，中国碳市场上线交易正式启动。碳捕集技术可以从烟气或空气中大规模捕集二氧化碳，使得大气当中二氧化碳含量能够实质性下降，形成负排放，这是国际能源署认可的唯一的途径。碳捕集可以获得二氧化碳，并且碳交易奠定基础。
吸附法分离二氧化碳具有效果好、脱附能耗低和操作简便等优点，在碳捕集领域具有良好的应用前景。二氧化碳是酸性气体，可以用碱性吸附剂进行捕集。吸附剂的碱性强弱对捕集之后二氧化碳吸附剂再生能耗影响很大。
造纸、化工、纺织等行业都会产生高浓度的碱性废水，含有某种不同浓度的碱，若不处理直排会造成管道腐蚀和环境污染等问题。在农药杀螨剂的合成过程中产生的碱性废水常含有K2CO3、KHCO3和KCl。酸碱中合法是一种处理碱性废水的常用方法，但是会浪费大量的酸和碱资源。采用碱性废水改性粉煤灰，可以在利用废水中废碱的同时，制备出用于CO2捕集的吸附剂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法及其应用，以便于同时解决当前现有技术中对碱性废水和CO2废气的综合治理与利用。
为解决现存在的问题，本发明采用的技术方案为：
一种碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将含有KHCO3、K2CO3和KCl的废水在80℃下浓缩至表面出现晶体膜层，通入含有CO2的废气，K2CO3吸收CO2后转化为难溶的KHCO3，保温结晶，析出KHCO3沉淀，经离心实现KHCO3晶体与KCl溶液的分离；将KHCO3晶体加热转变为K2CO3、水和纯的CO2；
步骤2，称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥 12 h；
步骤3，用步骤1得到的K2CO3配制溶液，称取2g粉煤灰加入到20mL K2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
步骤4，将干燥后的样品置于马弗炉中煅烧4h，得到的样品标记为K2CO3(X)-CA，x表示K2CO3负载量，CA表示硫酸改性的粉煤灰。
作为改进的是，步骤1中，废水浓缩温度为80℃，结晶温度为65℃，KHCO3晶体加热温度为到300℃，KHCO3分解产生的CO2收集储存起来。
步骤1中保温结晶的温度为65℃，保温6小时。
作为改进的是，步骤2中，浸渍过程中硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5。
作为改进的是，步骤3中，K2CO3溶液的浓度为10wt%-30wt%。
作为改进的是，步骤4中，煅烧温度为400°C，升温速率为10℃/min。
一种碱性废水改性粉煤灰吸附剂，其为K2CO3(X)-CA，x表示K2CO3负载量，CA表示硫酸改性的粉煤灰，x=10-30，单位为wt%。
有益效果：
与现有技术相比，本发明采用含有KHCO3、K2CO3和KCl的碱性废水对粉煤灰进行改性，可以在利用废水中废碱的同时，吸收部分CO2，并制备出低成本的、用于CO2捕集的高效吸附剂。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
（1）将含有KHCO3、K2CO3和KCl的废水在80℃下浓缩至表面出现晶体膜层，通入含有CO2的废气，K2CO3吸收CO2后转化为难溶的KHCO3，在65℃下保温结晶，析出KHCO3沉淀，经离心实现KHCO3晶体与KCl溶液的分离；将KHCO3晶体加热到300℃转变为K2CO3、水和纯的CO2，分解产生的CO2收集储存起来；
（2）称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥12 h；
（3）用步骤1得到的K2CO3配制溶液，称取2g粉煤灰加入到20mL浓度为10wt%的K2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
（4）将干燥后的样品置于马弗炉中在400°C下煅烧4h，升温速率为10℃/min，得到的样品标记为K2CO3(10)-CA。
实施例2
（1）将含有KHCO3、K2CO3和KCl的废水在80℃下浓缩至表面出现晶体膜层，通入含有CO2的废气，K2CO3吸收CO2后转化为难溶的KHCO3，在65℃下保温结晶，析出KHCO3沉淀，经离心实现KHCO3晶体与KCl溶液的分离；将KHCO3晶体加热到300℃转变为K2CO3、水和纯的CO2，分解产生的CO2收集储存起来；
（2）称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥12 h；
（3）用步骤1得到的K2CO3配制溶液，称取2g粉煤灰加入到20mL浓度为20wt%的K2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
（4）将干燥后的样品置于马弗炉中在400°C下煅烧4h，升温速率为10℃/min，得到的样品标记为K2CO3(20)-CA。
实施例3
（1）将含有KHCO3、K2CO3和KCl的废水在80℃下浓缩至表面出现晶体膜层，通入含有CO2的废气，K2CO3吸收CO2后转化为难溶的KHCO3，在65℃下保温结晶，析出KHCO3沉淀，经离心实现KHCO3晶体与KCl溶液的分离；将KHCO3晶体加热到300℃转变为K2CO3、水和纯的CO2，分解产生的CO2收集储存起来；
（2）称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥12 h；
（3）用步骤1得到的K2CO3配制溶液，称取2g粉煤灰加入到20mL浓度为30wt%的K2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
（4）将干燥后的样品置于马弗炉中在400°C下煅烧4h，升温速率为10℃/min，得到的样品标记为K2CO3(30)-CA。
对比例1
（1）称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥12 h；
（2）称取2g粉煤灰加入到20mL浓度为10wt%的Na2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
（3）将干燥后的样品置于马弗炉中在400°C下煅烧4h，升温速率为10℃/min，得到的样品标记为Na2CO3 (10)-CA。
对比例2
（1）称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥12 h；
（2）称取2g粉煤灰加入到20mL浓度为20wt%的Na2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
（3）将干燥后的样品置于马弗炉中在400°C下煅烧4h，升温速率为10℃/min，得到的样品标记为Na2CO3 (20)-CA。
对比例3
（1）称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，硫酸溶液与粉煤灰的液、固比为5，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥12 h；
（2）称取2g粉煤灰加入到20mL浓度为30wt%的Na2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
（3）将干燥后的样品置于马弗炉中在400°C下煅烧4h，升温速率为10℃/min，得到的样品标记为Na2CO3 (30)-CA。
采用比表面积与孔径分析仪在液氮温度下进行测试吸附剂的低温氮物理吸附脱附等温线。为保证测试结果的精确度，测试前在120℃温度下对吸附剂进行脱气处理，根据吸附脱附等温线和BET方程计算比表面积和孔体积等物理参数。
采用U型玻璃吸附器测试改性粉煤灰的CO2动态吸附性能，U型玻璃管内径为8 mm。为保证气体能穿过吸附剂床层，将改性粉煤灰压片破碎后过60-80目的筛子，而后称取1.5g置于U型管内，两端装填石英棉进行固定，而后将U型管转移至水浴锅中升温至100℃，采用60mL/min的氮气吹扫半小时，冷却至吸附温度60℃(最佳理论吸附温度)，将进样气切换成60mL/min、体积分数15％N2/CO2(烟气中CO2的浓度)混合气体，然后测试CO2动态吸附性能，采用气相色谱对CO2浓度进行在线检测，根据峰面积计算CO2吸附量。
表1 粉煤灰及改性粉煤灰的比表面积、孔体积和CO2吸附性能
由表1可见，CA-raw的比表面积和孔体积分别为286 m2/g和0.76 m3/g，CO2吸附量为1.93 mmol/g，K2CO3和Na2CO3改性后，样品的比表面积和孔体积均随着碳酸盐负载量的增加而减小，CO2吸附量则随着负载量的增加而增加。K2CO3(30)-CA和Na2CO3 (30)-CA分别获得最佳吸附量，为3.38mmol/g和3.17mmol/g。由此可见，将废水中的K2CO3回收并用于改性粉煤灰可制备出具有更优良碳捕集性能的吸附剂。
Claims (6)
1.一种碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将含有KHCO3、K2CO3和KCl的废水浓缩至表面出现晶体膜层，通入含有CO2的废气，K2CO3吸收CO2后转化为KHCO3，保温结晶，析出KHCO3，经离心实现KHCO3晶体与KCl溶液的分离；将KHCO3晶体加热转变为K2CO3、水和CO2；
步骤2：称取20ｇ粉煤灰，采用25wt%的硫酸溶液在90℃下对其浸渍2h，然后用去离子水洗涤至中性，100°C下干燥 12 h；
步骤3：称取2g步骤2得到的粉煤灰加入到20mL步骤1得到的 K2CO3溶液中，在室温下磁力搅拌12h，采用旋转式蒸发器在80°C下干燥；
步骤4：将步骤3得到的产物煅烧4h，冷却至室温后即可制得目标产品。
2.根据权利要求1所述的碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤1中保温结晶的温度为65℃ 。
3.根据权利要求1所述的碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤2中浸渍过程中硫酸溶液与粉煤灰的液固比为5：1。
4.根据权利要求1所述的碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤3中K2CO3溶液的浓度为10wt%-30wt%。
5.根据权利要求1所述的碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤4中煅烧温度为400°C，升温速率为10℃/min。
6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的碱性废水改性粉煤灰吸附剂的制备方法制得的碱性废水改性粉煤灰吸附剂，其特征在于，所述碱性废水改性粉煤灰吸附剂为K2CO3(X)-CA，X表示K2CO3负载量，CA表示硫酸改性的粉煤灰，X=10-30，单位为wt%。
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