CN116407928A - 一种二氧化碳吸收剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，尤其是涉及一种二氧化碳吸收剂及其制备方法，二氧化碳吸收剂为碱性氨基酸和壳聚糖的水溶液，碱性氨基酸的浓度为5‑20wt％，壳聚糖的浓度为2‑10wt％。其中，碱性氨基酸溶解后呈弱碱性，能够与二氧化碳等酸性气体发生中和反应，而其主官能团仍为氨基，解析二氧化碳的方法不变；而壳聚糖自身携带有大量的活性氨基，适宜于作为二氧化碳等酸性气体的捕捉剂。将碱性氨基酸与壳聚糖组合使用，碱性氨基酸为壳聚糖提供了碱性环境，而壳聚糖为碱性氨基酸提供了缓冲，并且碱性氨基酸可以借助于壳聚糖较大的比表面积，进而进一步增加吸收速率和吸收容量。因此，本发明的二氧化碳吸收剂具有吸收容量大，吸收速率快的优点。

Description

一种二氧化碳吸收剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及二氧化碳捕集技术领域，尤其是涉及一种二氧化碳吸收剂及其制备方法。

背景技术

近年来，人类社会工业化发展迅速，大量化石燃料使用后会排放出大量二氧化碳等温室气体，过量温室气体将会截留地球表面散发的长波辐射能量，形成温室效应进而引发全球变暖，改变生态平衡威胁人类生存。

然而，二氧化碳排放量的控制并非易事，在能源结构未发生根本性改变以及社会经济还需大力发展的前提下，要达到二氧化碳减排的目标，二氧化碳捕获封存是唯一途径。因此，碳捕集、封存、利用技术正在大力发展。

目前，二氧化碳捕获技术可以分为化学吸收分离法、膜分离法、物理吸附法等。其中化学吸收分离法应用最广泛也最成熟，具有能耗小、无腐蚀、操作简单、易实现自动化控制等优点，如最常用的有机胺吸收法。

但是，目前化学吸收分离法存在的最大问题是吸收剂的吸收容量及吸收速率有限、易氧化分解，并且常用的有机胺吸收剂成分复杂在一定程度存在毒性，对环境有潜在危害。

鉴于此，本发明提出了一种新型的二氧化碳吸收剂及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化碳吸收剂及其制备方法，该二氧化碳吸收剂具有吸收容量大，吸收速率快的优点。

第一方面，本发明提供一种二氧化碳吸收剂，所述二氧化碳吸收剂为碱性氨基酸和壳聚糖的水溶液，其中，所述碱性氨基酸的浓度为5-20wt％，所述壳聚糖的浓度为2-10wt％。

本发明的二氧化碳吸收剂以氨基为主要官能团，包括天然碱性氨基酸和天然富含氨基的壳聚糖，壳聚糖作为天然高分子碱性有机物，富含大量的氨基和羟基，将碱性氨基酸与壳聚糖组合使用时，碱性氨基酸可以为壳聚糖提供碱性环境，而壳聚糖可以为碱性氨基酸提供缓冲，且壳聚糖与碱性氨基酸混合后，碱性氨基酸可以借助于壳聚糖较大的比表面积，进而进一步增加吸收速率和吸收容量。因此，本发明的二氧化碳吸收剂具有吸收容量大，吸收速率快的优点，其饱和吸收量最大可达91.45％，吸收速率最快为27min。并且，该二氧化碳吸收剂的解吸温度为80℃，相对于其他有机胺吸收剂，其解吸温度低，能耗低。

而依此配方得到的二氧化碳吸收剂还可以附着于无纺布、金属支架、海绵等多孔过滤或吸附材料表面，以提高使用的灵活性，扩大应用范围。

此外，在制备过程中，为使碱性氨基酸均匀地负载在壳聚糖的表面，提高吸收剂的比表面积，本发明的二氧化碳吸收剂还包括表面活性剂，所述表面活性剂的浓度为1-3wt％，并优选为2wt％。

而所述表面活性剂包括季铵盐、胍基和多元醇中任意一种或多种，并优选为季铵盐。

作为本技术方案优选地，所述碱性氨基酸具体包括精氨酸、赖氨酸和组氨酸中任意一种或多种。其中，赖氨酸与精氨酸更易溶于水，而精氨酸是碱性最强的氨基酸，具备更强的吸收酸性气体的能力，因此，本发明的碱性氨基酸优选为精氨酸，且所述精氨酸的浓度为10-15wt％。

作为本技术方案优选地，所述壳聚糖为酸溶性壳聚糖，且所述酸溶性壳聚糖的浓度为2-5wt％。

酸溶性壳聚糖呈弱碱性，相对于水溶性壳聚糖其纯度更高，并且酸溶性壳聚糖具备一定指示作用，当溶液呈弱碱性时，内部壳聚糖以白色沉淀为主，并能维持溶液的弱碱性；当吸收大量二氧化碳等酸性气体后溶液向弱酸性转化，内部壳聚糖溶解且粘稠度增加，变化过程明显。因此，酸溶性壳聚糖不仅可以提高碱性氨基酸吸收二氧化碳的能力，还可以用于观测吸收剂吸收二氧化碳的饱和情况。

第二方面，本发明还公开了上述二氧化碳吸收剂的制备方法，具体包括以下步骤：

将碱性氨基酸和壳聚糖依次加入水中，并依次进行机械搅拌、磁力搅拌和超声震荡，得到二氧化碳吸收剂。

本发明二氧化碳吸收剂的制备方法操作简单，制备成本低廉，所制备得到的二氧化碳吸收剂因含有丰富的氨基，其吸收容量大、吸收速率快；吸收剂主体呈弱碱性，对机器腐蚀性小，操作人员安全性更高；碱性氨基酸和壳聚糖均为天然产物，具有一定的抗氧化性，因此，该吸收剂无需再添加其他抗氧化剂，对环境友好易降解，无额外污染，具有较大的市场价值和经济价值。

作为本技术方案优选地，将碱性氨基酸加入水中，机械搅拌至充分溶解，再加入表面活性剂，继续机械搅拌3-8min，以充分降低碱性氨基酸溶液的表面张力，使碱性氨基酸能够与壳聚糖充分混合，最终得到表面张力较低的碱性氨基酸的水溶液。

作为本技术方案优选地，向碱性氨基酸的水溶液中加入壳聚糖，磁力搅拌5-15min，以使碱性氨基酸得以在壳聚糖表面扩散成膜，使碱性氨基酸均匀地负载在壳聚糖的表面，进而增大吸收剂的比表面积，得到碱性氨基酸和壳聚糖的混合液。

最后，为使碱性氨基酸与壳聚糖充分混合，将碱性氨基酸和壳聚糖的混合液超声震荡处理0.5-1.5h，得到二氧化碳吸收剂。

本发明的二氧化碳吸收剂，与现有技术相比，至少具有以下技术效果：

1、本发明的二氧化碳吸收剂主要有碱性氨基酸和壳聚糖组成，其中，碱性氨基酸溶解后呈弱碱性，能够与二氧化碳等酸性气体发生中和反应，而其主官能团仍为氨基，解析二氧化碳的方法不变；而壳聚糖是自然界中仅次于纤维素的第二大丰富的生物聚合物，自身携带有大量的活性氨基，适宜于作为二氧化碳等酸性气体的捕捉剂。而将碱性氨基酸与壳聚糖组合使用时，碱性氨基酸可以为壳聚糖提供碱性环境，而壳聚糖可以为碱性氨基酸提供缓冲，且壳聚糖与碱性氨基酸混合后，碱性氨基酸可以借助于壳聚糖较大的比表面积，进而进一步增加吸收速率和吸收容量。因此，本发明的二氧化碳吸收剂具有吸收容量大，吸收速率快的优点。

2、本发明的中所使用的碱性氨基酸和壳聚糖均为天然物质，不仅具有良好的生物相容性和可降解性，而且具备优异的抗氧化性能。因此，将上述两种物质组合制备得到的二氧化碳吸收剂，配方简单，对环境友好易降解，无额外污染，吸收性能稳定；

3、本发明的二氧化碳吸收剂不仅可以直接通过喷洒的方式吸收二氧化碳，而且还可以依附于过滤颗粒或多孔吸附介质，不仅增加了吸收效率和吸收速率，而且可视运行场景条件进行调整，增加了使用灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明二氧化碳吸收装置示意图。

附图标记：

1：二氧化碳气瓶；2：二氧化碳浓度检测瓶；3：二氧化碳吸收剂试剂瓶；4：二氧化碳尾气浓度检测瓶。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

称取4g组氨酸加入96g水中，机械搅拌至充分溶解，再加入表面活性剂，继续机械搅拌3-8min，得到碱性氨基酸的水溶液；向碱性氨基酸的水溶液中加入壳聚糖，磁力搅拌5-15min，得到碱性氨基酸和壳聚糖的混合液；将碱性氨基酸和壳聚糖的混合液超声震荡处理0.5-1.5h，得到二氧化碳吸收剂。

实施例1

称取4g组氨酸加入96g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例2

称取4g赖氨酸加入96g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例3

称取4g精氨酸加入96g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例4

称取10g精氨酸加入90g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例5

称取15g精氨酸加入85g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例6

称取2g壳聚糖加入98g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例7

称取3g壳聚糖加入97g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例8

称取4g壳聚糖加入96g水中，机械搅拌至充分溶解，得到二氧化碳吸收剂。

实施例9

称取15g精氨酸加入81g水中，机械搅拌至充分溶解，再加入2g季铵盐，继续机械搅拌5min，得到精氨酸的水溶液；向精氨酸的水溶液中加入2g酸溶壳聚糖，磁力搅拌10min，得到精氨酸和酸溶壳聚糖的混合液；将精氨酸和酸溶壳聚糖的混合液超声震荡处理1h，得到二氧化碳吸收剂。

实施例10

称取15g精氨酸加入80g水中，机械搅拌至充分溶解，再加入2g季铵盐，继续机械搅拌5min，得到精氨酸的水溶液；向精氨酸的水溶液中加入3g酸溶壳聚糖，磁力搅拌10min，得到精氨酸和酸溶壳聚糖的混合液；将精氨酸和酸溶壳聚糖的混合液超声震荡处理1h，得到二氧化碳吸收剂。

实施例11

称取15g精氨酸加入79g水中，机械搅拌至充分溶解，再加入2g季铵盐，继续机械搅拌5min，得到精氨酸的水溶液；向精氨酸的水溶液中加入4g酸溶壳聚糖，磁力搅拌15min，得到精氨酸和酸溶壳聚糖的混合液；将精氨酸和酸溶壳聚糖的混合液超声震荡处理1.5h，得到二氧化碳吸收剂。

对照例1

使用精氨酸盐替代实施例11中的精氨酸；

其他步骤及参数基本与实施例11相同。

对照例2

使用单乙醇胺有机伯胺替代实施例11中的酸溶性壳聚糖；

其他步骤及参数基本与实施例11相同。

对照例3

使用1-氨基-2-丙醇有机伯胺替代实施例11中的酸溶性壳聚糖；

其他步骤及参数基本与实施例11相同。

本发明对实施例1-11及对照例1-3所制备得到的二氧化碳吸收剂的吸收能力进行了测试，测试方法如下：

采用鼓泡法对各吸收剂进行吸收性能测试，测试流程在手套箱中进行，测试装置示意图如1所示。

二氧化碳气体经管路进入二氧化碳吸收剂试剂瓶前设有二氧化碳浓度测试传感器，尾气管路同样安装有二氧化碳浓度测试传感器，用以检测溶液是否饱和。整套测试装置，气体流速由流量计控制为2L/min。

表1为各实施例和对照例吸收剂性能测试结果

如表1可知，相比于甘氨酸和赖氨酸，精氨酸吸收容量最大，且吸收容量随其浓度的增加而上升；同理，壳聚糖对二氧化碳吸收容量也随其浓度的增加而上升。此外，当精氨酸与壳聚糖组合使用后，其吸收效果有显著的提高，原因可能是精氨酸为壳聚糖提供了碱性环境，而壳聚糖为精氨酸提供了缓冲，且精氨酸可借助于壳聚糖较大的比表面积，进一步增加吸收速率和吸收容量。因此，壳聚糖与精氨酸组合制备得到的二氧化碳吸收剂具备吸收容量大，吸收速率快的优点，整个过程环境友好，无二次污染风险。

相比于精氨酸，精氨酸盐与壳聚糖组合用于制备二氧化碳吸收剂，其吸收效果较差，这可能是由于市售精氨酸盐较之精氨酸多一组盐酸，使水解pH值下降，进而影响碱性环境对二氧化碳的吸收效果。

而当精氨酸与其他有机伯胺组合使用时，其吸收效果有一定增加，但不如壳聚糖与精氨酸的组合，这可能是由于精氨酸与其他有机伯胺同在溶液中无相互促进作用，只是纯粹的效果叠加。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述二氧化碳吸收剂为碱性氨基酸和壳聚糖的水溶液，其中，所述碱性氨基酸的浓度为5-20wt％，所述壳聚糖的浓度为2-10wt％。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，还包括表面活性剂，所述表面活性剂的浓度为1-3wt％。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述表面活性剂包括季铵盐、胍基和多元醇中任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述碱性氨基酸包括精氨酸、赖氨酸和组氨酸中任意一种或多种。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述碱性氨基酸为精氨酸，且所述精氨酸的浓度为10-15wt％。

6.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于，所述壳聚糖为酸溶性壳聚糖，且所述酸溶性壳聚糖的浓度为2-5wt％。

7.权利要求1-6任一项所述二氧化碳吸收剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将碱性氨基酸和壳聚糖依次加入水中，并依次进行机械搅拌、磁力搅拌和超声震荡，得到二氧化碳吸收剂。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将碱性氨基酸加入水中，机械搅拌至充分溶解，再加入表面活性剂，继续机械搅拌3-8min，得到碱性氨基酸的水溶液。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，向碱性氨基酸的水溶液中加入壳聚糖，磁力搅拌5-15min，得到碱性氨基酸和壳聚糖的混合液。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，将碱性氨基酸和壳聚糖的混合液超声震荡处理0.5-1.5h，得到二氧化碳吸收剂。

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