CN116422294A - 一种用于捕集空气中co2的改性玉米芯生物炭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于捕集空气中CO2的改性玉米芯生物炭的制备方法，解决现有二氧化碳吸附剂吸附性能与再生性能不能兼顾的技术问题，包括以下步骤：1)将玉米芯粉碎后依次洗涤、烘干、30～50目筛过筛，得到玉米芯碎；2)取步骤1)预处理后的玉米芯碎置于水中，进行水热后，冷却至室温，过滤并洗涤至滤液澄清，收集滤饼、干燥得到玉米芯水热碳；3)将步骤2)得到的玉米芯水热碳进行碳化，得到玉米芯生物炭；4)将步骤3)得到的玉米芯生物炭加入胺盐溶液中，进行季胺化反应，并依次抽滤、洗涤、烘干处理后，得到季胺化玉米芯生物炭；5)向步骤4)得到的季胺化玉米芯生物炭中引入CO3 2‑，真空干燥后得到改性玉米芯生物炭。
Description
技术领域
本发明属于吸附剂技术领域，尤其涉及一种用于捕集空气中CO2的改性玉米芯生物炭的制备方法。
背景技术
碳捕集与封存目前主要是对大的炭排放源进行处理，对于占CO2总排放近50％的其他分布源CO2处理不够。直接空气捕集(direct air capture，DAC)技术不仅可对数以大多数小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO2进行捕集处理，同时还可有效降低大气中CO2浓度，因此开发一种高效且容易再生的用于空气中CO2捕集的吸附剂极为重要。
常用的二氧化碳吸附剂分为化学吸附剂和物理吸附剂，其中化学吸附剂多为有机胺溶液、氢氧化物及碱性盐等，其吸附量高但再生温度和压力高，对环境及设备有一定的损害。物理吸附剂为沸石、活性炭、金属有机骨架等多孔材料，其中活性炭因其成本低，来源广泛比表面积高等受到广泛关注，并且再生温度和压力低，但是物理吸附剂是通过范德华力来吸附二氧化碳，二氧化碳吸附量较化学吸附剂低。
鉴于上述原因，有必要开发一种吸附性能和再生性能均有所提升的二氧化碳吸附剂。
发明内容
本发明的目的在于解决现有二氧化碳吸附剂吸附性能与再生性能不能兼顾的技术问题，而提供一种用于捕集空气中CO2的改性玉米芯生物炭的制备方法。
本发明的构思：
生物质具有含碳量高、易活化、降解率低的优点，用生物质制备的活性炭产品不仅纯度高、比表面积大、吸附效果好，而且实现了碳的循环利用，是绿色环保的；而玉米是我国最高产的粮食作物之一，其产量正逐年增加。玉米芯是玉米脱粒处理后的部分，约占玉米重量的0.21，目前玉米芯的处理主要有垃圾填埋、焚烧等方法，这些处理方法不仅不能合理利用资源，造成浪费，还可能污染环境。考虑目前不可再生能源的逐渐稀缺，使得利用低成本且储量巨大的生物质资源作为制备活性炭的原料逐渐普及，本发明拟对来源广泛且成本低的玉米芯进行充分利用，通过水热和高温碳化制备玉米芯生物炭(通过水热增加了其表面的官能团，通过碳化获得有利于后续的改性的玉米芯生物炭大的孔结构)，并对其进行改性，引入碳酸根，从而获得在吸附剂表面干燥时吸收CO2湿润时释放CO2的吸附剂。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种改性玉米芯生物炭的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将玉米芯粉碎后依次洗涤、烘干、30～50目筛过筛，得到玉米芯碎；此处选择30～50目筛主要是为了获得含有结构不被破坏的玉米芯，在后续水热、碳化后不会影响其吸附能力；
2)取步骤1)预处理后的玉米芯碎置于水中，进行水热后，冷却至室温，过滤并洗涤至滤液澄清，收集滤饼、干燥得到玉米芯水热碳；此处水采用去离子水，水热的具体方式为：将玉米芯碎与水的混合物置于不锈钢高压釜内，并在加热设备中(比如：烘箱)中加热；
3)将步骤2)得到的玉米芯水热碳进行碳化，得到玉米芯生物炭；
4)将步骤3)得到的玉米芯生物炭加至胺盐溶液中，进行季胺化反应，并依次抽滤、洗涤、烘干处理后，得到季胺化玉米芯生物炭；
5)向步骤4)得到的季胺化玉米芯生物炭中引入CO3 2-，真空干燥后得到改性玉米芯生物炭，该吸附剂通过表面的水合反应从而达到变干吸附CO2，变湿脱附CO2。
本发明吸附脱附的机理是：
首先将玉米芯生物炭季胺化，可以达到一部分的化学吸附，其次，在其表面引入碳酸根，可发生干燥时吸附CO2，见反应(1)-(3)，湿润时脱附CO2，见反应(4)，反应方程式如下：
进一步地，步骤1)中，采用去离子水清洗多次，并在80-100℃下烘干至完全干燥。
进一步地，步骤2)中，所述水热的温度为200-240℃，水热时间为12-18h，优选220℃，12h。水热的目的是为了增加生物炭表面的羟基等官能团，以及后续的炭产量，如果水热温度过高或者水热时间过长则会产生较多的水热碳球，导致形貌发生变化，因此，此处对水热的温度和时间均有所要求。
进一步地，步骤2)中，所述玉米芯碎与水的质量比为1∶10-15，优选1∶10。
进一步地，步骤3)中，所述碳化是指将玉米芯水热碳置于管式炉惰性气氛中以2-4℃/min的升温速率在400-600℃下碳化1-4h，优选500℃，碳化3h。缓慢的升温速度有利于形成规则的孔洞结构，若碳化温度过低会导致碳化不完全得不到大的孔道结构，碳化温度太高则得到的生物炭的孔道结构会被明显破坏，碳化时间对碳化的效果影响与之相同，因此，对碳化的温度和时间均有要求。
进一步地，步骤4)中，所述胺盐为三丁胺、三甲胺、十二烷基二甲基胺或十六烷基二甲基胺，胺盐溶液中胺盐的质量分数为25-35％，优选30％；
所述玉米芯生物炭与胺盐的质量比为1-3∶1，优选2∶1；
季胺化反应的反应温度为60-100℃，反应时间为8-12h。
进一步地，步骤5)具体为：将步骤4)得到的季胺化玉米芯生物炭浸泡在摩尔浓度为0.25-0.75M的碳酸钠溶液中4-6h(因为生物炭离子交换速度快，该时间范围内足以充分引入碳酸根)，真空干燥得到改性玉米芯生物炭；此处，碳酸钠溶液也可替换为其他易溶性的碳酸盐，比如碳酸钾。
本发明还提供了一种改性玉米芯生物炭，特殊之处在于：采用上述方法制备得到。
以及上述制备的改性玉米芯生物炭在捕集空气中CO2中的应用。
一种空气中CO2捕集系统，其特殊之处在于：该捕集系统中使用了上述任一方法制备得到的改性玉米芯生物炭。
本发明的优点：
1.本发明利用可在生农业废弃物玉米芯制备了比表面积可达732m2/g生物炭，先通过季胺化反应，使得物理吸附变为化学吸附，再将其浸泡在碳酸盐溶液中引入一定量的碳酸根，将玉米芯生物炭改性获得高性能的CO2吸附剂，可在常温常压干燥条件下对空气中的CO2进行捕集，并在湿润时释放CO2，改善了材料对空气中的CO2吸附脱附的循环方式。
2.本发明整个制备过程反应条件温和，工艺流程简便，反应过程易于控制；原料为农业废弃物来源广泛且成本低，可充分利用农业废弃物。
3.本发明通过季胺化使得玉米芯生物炭的CO2吸附量增加了一倍，且可以通过控制环境中的湿度达到吸附剂的吸附与再生，使得所制备的改性玉米芯生物炭作为空气中CO2捕集吸附剂兼顾了吸附性能与再生性能，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例2中所得玉米芯生物炭SEM图。
图2为本发明实施例4中所得玉米芯生物炭SEM图。
图3为本发明实施例5中所得玉米芯生物炭SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
实施例1
用于捕集空气中CO2的改性玉米芯生物炭的制备方法，包括以下步骤：
1)将收集来的玉米芯粉碎后用去离子水洗3次，洗去表面灰尘后烘干，并用30目筛子过筛，得到玉米芯碎；
2)取6g干燥后的玉米芯碎置于60mL去离子水混合后，在200℃下水热12h，冷却至室温后过滤并用去离子水洗至滤液澄清，得到玉米芯水热碳并将其干燥；
3)将步骤2)中得到的玉米芯水热碳在管式炉中惰性气氛下以2℃/min的升温速率在400℃碳化2h得到玉米芯生物炭；
4)取2g玉米芯生物炭与8mL 25％十二烷基二甲基胺溶液混合置于水热反应釜密封反应，80℃下反应10h，反应结束冷却后抽滤，用去离子水洗涤烘干后，得到季胺化玉米芯生物炭；
5)最后将步骤4)得到的季胺化玉米芯生物炭在摩尔浓度为0.5M的碳酸钠溶液中浸泡6h引入碳酸根离子，真空干燥得到改性玉米芯生物炭作为空气中CO2捕集吸附剂。
实施例2-3为不同水热温度下所得吸附剂，其他条件与实施例1一致，其中实施例2水热温度为220℃所得吸附剂的比表面积最大为530m2/g，因此水热温度优选为220℃。
实施例4-5为不同碳化温度下所得吸附剂，其他条件与实施例2一致，图1-3分别为碳化温度为400-600℃时所得玉米芯生物炭的扫描电镜图，从图中可以看到当碳化温度为500℃时具有微米级别的大孔，且孔结构很规则，这种孔结构有利于后续季胺基的进入，同时对比比表面积，可见碳化温度优选500℃。
实施例6-8为不同碳化时间下所得吸附剂，其他条件与实施例4一致，对比比表面积，优选碳化时间3h。
实施例9-14为不同玉米芯生物炭与胺盐质量比所得吸附剂，其他条件与实施例7一致，对比CO2吸附容量，因此优选玉米芯生物炭和胺盐的质量比2∶1，胺盐溶液中胺盐的质量分数30％。
实施例15-16为不同碳酸钠浓度下所得吸附剂，其他条件与实施例9一致，对比CO2吸附容量，因此优选碳酸钠溶液摩尔浓度0.5M。
除此之外，本发明还对其他工艺参数进行了正交实验，同时进行正交分析，发现其他工艺参数对最终产品的影响较小，因此未对其他工艺参数做优选实验。
通过上述CO2吸附测试可以看出，实施例9工艺条件下制备得到的吸附剂具有最佳的CO2吸附效果，CO2吸附容量为1.56mmol/g。
因此，可采用改性的玉米芯生物炭作为空气中CO2捕集系统的吸附剂，并且基于本发明吸附脱附的机理，湿润时(即水分子的加持下)，可以脱附CO2，实现材料再生。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改性玉米芯生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将玉米芯粉碎后依次洗涤、烘干、30～50目筛过筛，得到玉米芯碎；
2)取步骤1)预处理后的玉米芯碎置于水中，进行水热后，冷却至室温，过滤并洗涤至滤液澄清，收集滤饼、干燥得到玉米芯水热碳；
3)将步骤2)得到的玉米芯水热碳进行碳化，得到玉米芯生物炭；
4)将步骤3)得到的玉米芯生物炭加至胺盐溶液中，进行季胺化反应，并依次抽滤、洗涤、烘干处理后，得到季胺化玉米芯生物炭；
5)向步骤4)得到的季胺化玉米芯生物炭中引入CO3 2-，真空干燥后得到改性玉米芯生物炭。
2.根据权利要求1所述改性玉米芯生物炭的制备方法，其特征在于：
步骤1)中，采用去离子水清洗多次，并在80-100℃下烘干。
3.根据权利要求1或2所述改性玉米芯生物炭的制备方法，其特征在于：
步骤2)中，所述水热的温度为200-240℃，水热时间为12-18h。
4.根据权利要求3所述改性玉米芯生物炭的制备方法，其特征在于：
步骤2)中，所述玉米芯碎与水的质量比为1∶10-15。
5.根据权利要求4所述改性玉米芯生物炭的制备方法，其特征在于：
步骤3)中，所述碳化是指将玉米芯水热碳置于管式炉惰性气氛中以2～4℃/min的升温速率在400-600℃下碳化1-4h。
6.根据权利要求5所述改性玉米芯生物炭的制备方法，其特征在于：
步骤4)中，所述胺盐为三丁胺、三甲胺、十二烷基二甲基胺或十六烷基二甲基胺，且胺盐溶液中胺盐的质量分数为25-35％；
所述玉米芯生物炭与胺盐的质量比为1-3∶1；
季胺化反应的反应温度为60-100℃，反应时间为8-12h。
7.根据权利要求6所述改性玉米芯生物炭的制备方法，其特征在于，步骤5)具体为：
将步骤4)得到的季胺化玉米芯生物炭浸泡在摩尔浓度为0.25-0.75M的碳酸钠溶液中4-6h，真空干燥得到改性玉米芯生物炭。
8.一种改性玉米芯生物炭，其特征在于：采用权利要求1～7任一方法制备得到。
9.权利要求1制备的改性玉米芯生物炭在捕集空气中CO2中的应用。
10.一种空气中CO2捕集系统，其特征在于：该捕集系统中使用了权利要求1-7任一方法制备得到的改性玉米芯生物炭。
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| CN202310521255.1A CN116422294A (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 一种用于捕集空气中co2的改性玉米芯生物炭的制备方法 |
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