CN116463001A - 一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料及其制备方法，由聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙、岩棉纤维以及稀水泥浆按照一定质量掺混比例构成；聚苯乙烯季铵盐树脂在涂料中的质量配比为10‑15％；类水滑石矿物在涂料中的质量配比为10‑15％；硅藻土在涂料中的质量配比为3‑5％；硅酸钙在涂料中的质量配比为17‑25％；岩棉纤维在涂料中的质量配比为3‑5％；稀水泥浆在涂料中的质量配比为35‑57％。将上述涂料涂抹在建筑物表面，当涂料层干燥时，能够自动从空气中捕获二氧化碳；当涂料层湿润时，该涂料层能够将二氧化碳解吸并以碳酸根形式溶于水中流出，实现了构筑物外立面的碳呼吸功能。
Description
技术领域
本发明涉及碳捕获技术领域，具体涉及一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料及其制备方法。
背景技术
在过渡时期，点源排放的高浓度CO2的捕集与封存(CCS)可以减少CO2的排放。但是，仅靠CCS不可能实现将大气中的CO2稳定在450ppm以下的目标。空气中二氧化碳的浓度已经从工业革命前的200ppm左右升高到目前的400ppm以上，因此，发展从周围空气中直接捕获二氧化碳的技术也是减缓气候变化的有效手段，并且十分迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料及其制备方法，可以在空气干燥时直接从空气中强烈地吸附捕捉二氧化碳到涂料层中；当空气湿润时，涂料层空隙中的二氧化碳转化为碳酸根或碳酸氢根释放出来，随水冲刷进入水体中，从而实现从空气中直接捕获二氧化碳并转移到水体中的目的，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，由聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙、岩棉纤维以及稀水泥浆按照一定质量掺混比例构成；其中，所述聚苯乙烯季铵盐树脂在涂料中的质量配比为10-15％；所述类水滑石矿物在涂料中的质量配比为10-15％；所述硅藻土在涂料中的质量配比为3-5％；所述硅酸钙在涂料中的质量配比为17-25％；所述岩棉纤维在涂料中的质量配比为3-5％；所述稀水泥浆在涂料中的质量配比为35-57％。
更进一步地，所述聚苯乙烯季铵盐树脂是实现水媒介二氧化碳捕获的主要成分，其可以采用商品化的粉末颗粒或自行制备，粒径0.2-1.0mm。
更进一步地，所述聚苯乙烯季铵盐树脂的制备方法如下：
S1：按质量比将10份氯甲基聚苯乙烯树脂粉末完全浸没于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中30-40℃溶胀24小时；
S2：加入2份聚乙烯亚胺30-40℃浸泡12小时；
S3：乙醇浸泡12小时-过滤-干燥；
S4：用异丙醇溶胀24小时，再加入5份1溴代十二烷烃80-85℃季铵化24小时，之后加入1.5份1溴代丁烷45-50℃强化季铵化4小时；
S5：最后室温过滤并用乙醇清洗、干燥，获得季铵盐改性聚苯乙烯树脂粉末颗粒。
更进一步地，所述类水滑石矿物由Ca/Al/Mg金属氧化物构成的层状双金属氢氧化物，其来自于自然水滑石矿，其由带正电荷的八面体主体层板和层间阴离子通过非共价键的相互作用组装而成，其粒径范围0.1-1.0mm。
更进一步地，所述硅藻土为粉末形状，粒径0.5-1.0mm，硅藻土颗粒巨大的比表面积利于气体的吸附和交换。
更进一步地，所述硅酸钙颗粒粒径范围0.1-0.5mm，相对密度2.5-3.0，具有阻燃、保温隔热、抗菌防霉功能。
更进一步地，所述岩棉纤维为普通岩棉纤维，用于增加涂料的空隙率，利于气体交换。
更进一步地，上述方法包括：
将水灰比0.65-0.80的稀水泥浆和前述聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙以及岩棉纤维按照一定质量比掺混搅拌混合均匀后，即得到直接涂抹的涂料；或
将水灰比0.80-1.00的稀水泥浆和前述聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙以及岩棉纤维按照一定质量比掺混搅拌混合均匀后，即得到喷涂型的涂料。
更进一步地，制备的表层涂料可以直接在构筑物外表面进行均匀涂抹或喷涂，涂层厚度0.2-0.5cm，可实现构筑物外表的碳呼吸功能，即空气逐步干燥时吸收二氧化碳，空气湿润时释放二氧化碳。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料及其制备方法，主要由聚苯乙烯季铵盐树脂(质量份额10-15)、类水滑石矿物(质量份额10-15)、硅藻土(质量份额3-5)、硅酸钙(质量份额17-25)、岩棉纤维(质量份额3-5)以及稀水泥浆(质量份额35-57)按照一定质量掺混比例构成，将涂料涂抹在建筑物表面，当涂料层干燥时，能够自动从空气中捕获二氧化碳，当涂料层湿润时，该涂料层能够将二氧化碳解吸并以碳酸根形式溶于水中流出，其以水为媒介，实现对空气中二氧化碳的自动捕获，能够实现构筑物外立面的“碳呼吸”功能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明的涂料对二氧化碳吸收和释放过程机理示意图；
图2为本发明的涂料在构筑物外立面的施用方式图；
图3为本发明的类水滑石矿物的结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
本发明实施例中提供一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，由聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙、岩棉纤维以及稀水泥浆按照一定质量掺混比例构成。
其中，聚苯乙烯季铵盐树脂是实现水媒介二氧化碳捕获的主要成分，其可以采用商品化的粉末颗粒也可以制备得到，粒径0.2-1.0mm，其在涂料中的质量配比为10-15％，聚苯乙烯季铵盐离子交换树脂是实现二氧化碳捕获-释放循环的主要成分，同时其也具有一定的防霉杀菌效果，利于涂料的防霉变。
聚苯乙烯季铵盐树脂的制备方法如下：
S1：按质量比将10份氯甲基聚苯乙烯树脂粉末完全浸没于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中30-40℃溶胀24小时；
S2：加入2份聚乙烯亚胺30-40℃浸泡12小时；
S3：乙醇浸泡12小时-过滤-干燥；
S4：用异丙醇溶胀24小时，再加入5份1溴代十二烷烃80-85℃季铵化24小时，之后加入1.5份1溴代丁烷45-50℃强化季铵化4小时；
S5：最后室温过滤并用乙醇清洗、干燥，获得季铵盐改性聚苯乙烯树脂粉末颗粒。
其中，聚苯乙烯季铵盐树脂的合成工艺路线如下：
本发明实施例中，类水滑石矿物主要为由Ca/Al/Mg金属氧化物构成的层状双金属氢氧化物，其来自于自然水滑石矿，其由带正电荷的八面体(钙氧、镁氧八面体或铝氧八面体)主体层板和层间阴离子通过非共价键的相互作用组装而成，类水滑石矿物的结构如图3所示(其中M代表Ca、Al或Mg；A代表阴离子)。
为降低成本考虑，其中的类水滑石矿物可以直接采用自然水滑石矿物，其粒径范围0.1-1.0mm，在涂料中的质量配比为10-15％。
具体地，类水滑石矿物可以通过下方网址购买得到：
铝镁水滑石(天津津衡蓝海科技有限公)：
https://detail.1688.com/offer/661622986146.html？exp＝enquiry％3AB&spm ＝a312h.2018_new_sem.dh_002.4.753e4b3dwFlIOj&cosite＝baidujj&tracelog＝p4p&_ p_isad＝1&clickid＝d03616eec8864d809dce520d1839c01d&sessionid＝cfdd5b610ea84 64e0d77c3b1871a9264&a＝1416&e＝KWo.0gR-IlmQgV3XCjgNJ7LfaupOvlS.jc7eTz15fCH9P qbBDDQSDzB3m4XMOgA2e2OtVP1Jh4sb7AJCzkOHH5ZgSgUQMMbOH9p4ldzbdqEkTW.VtH..9uIaY Q4Zs.dt.o8k8junxwtz3zM49yD9eKsE2ZV6JcpvnCOJLKxPYQ96Hg0R6Cv1gtCPyb20.DQ8nuhLQ NZ9dqHjqfl.RGtZYkVHyVZEqONRqtYzmCIrysY3GBxjBoOQaM5Jy6mnZopXvloJuMZHzzi885SgK 3ZLXw__&sk＝sem&style＝1。
铝镁水滑石(郑州市金水区鸿远化工商行)：
https://detail.1688.com/offer/588588278288.html&idx＝50。
铝钙水滑石(济宁三石生物科技有限公司)：
https://detail.1688.com/offer/677407307296.html&idx＝55。
类水滑石矿物有助于涂料实现碳酸根和碳酸氢根阴离子的吸附和释放。同时水滑石矿物具有吸收特定波长红外光的能力，可以加速涂料的加热干化，加快涂料对二氧化碳的吸收，尤其是类水滑石矿物和有机离子交换树脂结合后更有助于实现其对红外波段的吸收。
本发明实施例中的硅藻土为粉末形状，粒径0.5-1.0mm，质量份额3-5％，硅藻土颗粒巨大的比表面积利于气体的吸附和交换。
本发明实施例中的硅酸钙颗粒粒径范围0.1-0.5mm，相对密度2.5-3.0，在涂料中的质量比17-25％，硅酸钙能够增加构筑物表面的阻燃、保温隔热、抗菌防霉功能。
本发明实施例中的岩棉纤维为普通玄武岩岩棉纤维，其质量份额为3-5％，纤维长度为1-5cm，岩棉纤维的主要作用为增加涂料的空隙率，利于气体交换。
本发明实施例中，根据涂料使用方式，其中的稀水泥浆水灰比分为两种，将水灰比0.65-0.80的稀水泥浆和前述聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙以及岩棉纤维按照一定质量比掺混搅拌混合均匀后，即得到直接涂抹的涂料；或者
将水灰比0.80-1.00的稀水泥浆和前述聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙以及岩棉纤维按照一定质量比掺混搅拌混合均匀后，即得到喷涂型的涂料。
将上述涂料粉刷于构筑物外表面(涂层厚度0.2-0.5cm)可以实现构筑物对二氧化碳的“碳呼吸”，即空气逐步干燥时吸收二氧化碳，空气湿润时释放二氧化碳。
本发明的研发原理：根据现有技术资料记载，成功地实现从空气中直接捕获二氧化碳的材料一般来说需要满足4个条件：
(1)快速的反应动力学，能够快速吸收二氧化碳；(2)成本足够低，能够便于开展应用推广；(3)应用场景宽泛，能够开展大规模应用；(4)便于在一般环境条件下快速再生，能够完成整个CO2捕获-释放循环。
但实际上，有多种物质可以实现二氧化碳的吸附，但难于实现一般环境条件下的再生(不满足条件(4))，因为它们必须克服较大的能量屏障才能再生。例如，钙基煅烧过程和钠基分解水解过程需要的吸附热分别为179kJ/mol CO2和135kJ/mol CO2，胺基吸附剂对CO2的吸附热平均值约为80kJ/mol CO2。它们吸附二氧化碳后如果需要再释放，则需要大量的能源，这又会导致二氧化碳的排放。
为此，本发明实施例提出了一种以水为媒介的节能吸附剂，只需依靠与材料接触的水媒介即可实现二氧化碳的捕获与释放，与其他吸附材料相比，离子交换树脂的吸附热仅为32kJ/mol CO2，当空气相对湿度从15％增加到100％时，聚苯乙烯季铵盐离子交换树脂上的CO2平衡分压增加了2个数量级，即空气湿度增加导致聚苯乙烯季铵盐离子交换树脂中吸附的二氧化碳显著释放。这种效应一方面是由于聚苯乙烯季铵盐离子交换树脂对水蒸气和二氧化碳的物理性竞争吸附，另一方面是由于聚苯乙烯季铵盐离子交换树脂干燥时对CO2具有良好的亲和力。
聚苯乙烯季铵盐离子交换树脂的原理为：随着空气干燥过程，季铵盐中正电荷吸附的CO3 2-和材料空隙中的水分子作用转化为HCO3 -，从而空出来一个吸附位用于对OH-的吸收，而OH-吸收来自于空气中的CO2并转化为HCO3 -，因此该过程实现了对空气中二氧化碳的直接捕获；当空气湿润的时候，2个HCO3 -结合转化为CO3 2-和CO2被水带走，部分CO3 2-又占据了季铵盐中2个正电荷吸附点位。即CO2的吸附/解吸可以表示为一系列反应：水的离解、碳酸氢根的形成、CO2在氢氧化物上的吸附以及从碳酸氢盐释放回碳酸根和CO2的释放。主要化学过程如下式，主要过程如附图1所示。
H2O＝H++OH-
CO3 2-+H+＝HCO3 -
OH-+CO2＝HCO3 -
HCO3 -+HCO3 -＝CO3 2-+CO2+H2O
为满足成功地实现从空气中直接捕获二氧化碳材料具备的4个条件，本发明实施例提供了一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料及其制备方法。主要包括由聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙、岩棉纤维以及稀水泥浆按照一定质量掺混比例构成。
为了进一步更好的解释说明本发明，还提供如下具体的实施案例：
将10克聚苯乙烯季铵盐离子交换树脂球(粒径0.5mm)、10克水滑石矿物颗粒(粒径0.5mm)、3克硅藻土颗粒(粒径0.5-1.0mm)、17克硅酸钙(粒径0.5mm)、3克岩棉纤维(普通保温板用玄武岩纤维)以及57克稀水泥浆(水灰比0.75)混合，首先进行人工预拌和，然后放入烧杯中利用分散机进行机械拌和30min，搅拌速度18-22r/min。最终得到约100克的涂料。
如图2所示，将该涂料一部分摊涂于10cm×10cm瓷砖表面，摊涂厚度0.5mm，然后在105℃真空干燥箱中干燥24小时，确保涂料彻底干燥，该过程去除了涂料层内结合的二氧化碳和水分。然后将该瓷砖快速放置于样品室中(封闭的有机玻璃箱30cm×30cm×30cm)，该样品室连接红外气体分析仪LICOR840，可以实时获得样品室的二氧化碳浓度和露点(相对湿度越大，露点温度越高)。
通过仪器观测可以发现，当涂有涂料的干燥瓷砖放入后，样品室内的二氧化碳浓度由800ppm经过60min降低到400ppm，经过120min后降低到320ppm，说明干燥的涂料层具有吸收(“呼入”)二氧化碳的能力。120min后缓慢通入水汽，使露点由6℃提高到16℃(相对湿度由约30％提高到约60％)时，60min后样品室内二氧化碳浓度水平又逐渐上升到456ppm，说明潮湿的涂料层具有释放(“呼出”)二氧化碳的能力。也就是说通过干湿交替，该涂料层具有实现二氧化碳“呼吸”的功能。
综上所述：本发明提供的一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料及其制备方法，主要由聚苯乙烯季铵盐树脂(质量份额10-15)、类水滑石矿物(质量份额10-15)、硅藻土(质量份额3-5)、硅酸钙(质量份额17-25)、岩棉纤维(质量份额3-5)以及稀水泥浆(质量份额35-57)按照一定质量掺混比例构成，将涂料涂抹在建筑物表面，当涂料层干燥时，能够自动从空气中捕获二氧化碳，当涂料层湿润时，该涂料层能够将二氧化碳解吸并以碳酸根形式溶于水中流出，其以水为媒介，实现对空气中二氧化碳的自动捕获，能够实现构筑物外立面的“碳呼吸”功能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，由聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙、岩棉纤维以及稀水泥浆按照一定质量掺混比例构成；
其中，所述聚苯乙烯季铵盐树脂在涂料中的质量配比为10-15％；所述类水滑石矿物在涂料中的质量配比为10-15％；所述硅藻土在涂料中的质量配比为3-5％；所述硅酸钙在涂料中的质量配比为17-25％；所述岩棉纤维在涂料中的质量配比为3-5％；所述稀水泥浆在涂料中的质量配比为35-57％。
2.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，所述聚苯乙烯季铵盐树脂采用商品化的粉末颗粒或自行制备，粒径0.2-1.0mm。
3.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，所述聚苯乙烯季铵盐树脂的制备方法如下：
S1：按质量比将10份氯甲基聚苯乙烯树脂粉末完全浸没于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中30-40℃溶胀24小时；
S2：加入2份聚乙烯亚胺30-40℃浸泡12小时；
S3：乙醇浸泡12小时-过滤-干燥；
S4：用异丙醇溶胀24小时，再加入5份1溴代十二烷烃80-85℃季铵化24小时，之后加入1.5份1溴代丁烷45-50℃强化季铵化4小时；
S5：最后室温过滤并用乙醇清洗、干燥，获得季铵盐改性聚苯乙烯树脂粉末颗粒。
4.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，所述类水滑石矿物为由Ca/Al/Mg金属氧化物构成的层状双金属氢氧化物，其来自于自然水滑石矿，其由带正电荷的八面体主体层板和层间阴离子通过非共价键的相互作用组装而成，其粒径范围0.1-1.0mm。
5.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，所述硅藻土为粉末形状，粒径0.5-1.0mm。
6.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，所述硅酸钙颗粒粒径范围0.1-0.5mm，相对密度2.5-3.0。
7.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，所述岩棉纤维为普通岩棉纤维。
8.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，包括：
将水灰比0.65-0.80的稀水泥浆和前述聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙以及岩棉纤维按照一定质量比掺混搅拌混合均匀后，即得到前述涂料；或
将水灰比0.80-1.00的稀水泥浆和前述聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙以及岩棉纤维按照一定质量比掺混搅拌混合均匀后，即得到前述涂料。
9.如权利要求1所述的水媒介二氧化碳捕获表层涂料的制备方法，其特征在于，制备的表层涂料能够直接在构筑物外表面进行涂抹或喷涂，涂层厚度0.2-0.5cm。
10.一种水媒介二氧化碳捕获表层涂料，其特征在于，由聚苯乙烯季铵盐树脂、类水滑石矿物、硅藻土、硅酸钙、岩棉纤维以及稀水泥浆按照一定质量掺混比例构成；
其中，所述聚苯乙烯季铵盐树脂在涂料中的质量配比为10-15％；所述类水滑石矿物在涂料中的质量配比为10-15％；所述硅藻土在涂料中的质量配比为3-5％；所述硅酸钙在涂料中的质量配比为17-25％；所述岩棉纤维在涂料中的质量配比为3-5％；所述稀水泥浆在涂料中的质量配比为35-57％。
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