CN117205718B - 一种捕集和固定co2的复合材料及制备方法、co2吸收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种捕集和固定CO₂的复合材料及制备方法、CO₂吸收装置，属于固碳材料技术领域。按重量份计，本发明提供的复合材料包括水泥20～50份、固碳水性环氧树脂5～20份、集料30～150份和水3～20份，其中，所述固碳水性环氧树脂为水性环氧树脂与吸收CO₂后的水性环氧树脂固化剂反应得到。本发明将多种胺类化合物制备成单体A，令单体A与烟气中的CO₂充分反应后，将产物作为水性环氧树脂的固化剂使用，与水泥、集料等共同制成建筑材料，并具有优异的使用性能，解决了现有的CO₂固定技术效率低、成本高、产生额外碳排放的问题。本发明提供的CO₂吸收装置，能够促进单体A与CO₂的反应，降低单体A用量。

Description

一种捕集和固定CO2的复合材料及制备方法、CO2吸收装置

技术领域

本发明属于固碳材料技术领域，具体涉及一种捕集和固定CO₂的复合材料及制备方法、CO₂吸收装置。

背景技术

烟气中CO₂的大量排放会导致一系列负面影响，包括加剧温室效应与全球变暖、加速海洋酸化、污染大气环境、抑制植被生长、加重土壤与地下水酸化、加大环境治理压力等。这不仅破坏生态平衡，也是对可再生资源的极大浪费，使得大量CO₂资源被白白排放掉。

当前，对于烟气中CO₂的捕集已经有比较多的相关研究以及应用，例如有物理溶剂吸收法、化学溶剂吸收法、变压吸附法(PSA)、膜分离法和液化精馏法等，但这些方法有的会产生废液等难以二次利用的废料，有的工艺较复杂，不适用于烟气脱碳。对于CO₂的固定，目前也有比较多的可行方案，例如地质封存、矿化、生物吸收等方法。然而，这些方法不仅成本比较高，副产物的经济价值很低，且多用于对已经收集的CO₂气体进行固定。而工业烟气净化系统多采用化学溶剂吸收或者物理溶剂吸附来收集CO₂，上述CO₂固定方案需要将吸附剂进行再生并分离出CO₂才能进行下一步的固定，而溶剂再生又会产生能耗并排放CO₂。可见，现有的CO₂捕集与固定方案多是分开进行，技术关联度不紧密，而且从捕集到固定的过程中还会产生大量的碳排放，CO₂的固定效率比较低。

捕集并固定烟气中的CO₂面临许多困难，包括CO₂浓度低、烟气流速快、含杂质气体竞争吸附、再生能耗高、转化利用难、材料稳定性差、设备成本高等。克服这些困难的关键在于开发高选择性材料、优化反应动力学、提升再生效率、增强材料稳定性、降低设备成本、实现烟气准确组分调控，还需从CO₂捕集与材料的设计层面进行规划，形成从捕集到利用的完整产业链，以实现烟气中CO₂的高效节能捕集与资源化高价值利用。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于针对当前工业生产大量排放CO₂导致全球变暖的严峻形势，提供一种捕集和固定CO₂的复合材料，实现CO₂的高效捕集与固定，解决现有的CO₂固定技术效率比较低、成本高、产生额外碳排放的问题，降低CO₂对环境的负面影响。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，按重量份计，包括如下成分：

水泥20～50份、固碳水性环氧树脂5～20份、集料30～150份和水3～20份，其中，所述固碳水性环氧树脂为水性环氧树脂与吸收CO₂后的水性环氧树脂固化剂反应得到。

优选的，所述固碳水性环氧树脂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将一级胺、二级胺、三级胺、芳香胺、杂环胺、肼类化合物、聚胺基化合物中的一种或几种搅拌均匀，得到单体A，备用；

步骤二、向单体A中通入含有CO₂的工业烟气，当出气量达到进气量的99％时停止反应，得到固碳水性环氧树脂固化剂，备用；

步骤三、将水溶性环氧树脂、自乳化环氧树脂、分散性水性环氧树脂中的一种或几种混合均匀，得到固碳水性环氧树脂前驱体，备用；

步骤四、将固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体混合，使固碳水性环氧树脂前驱体固化，得到固碳水性环氧树脂。

优选的，所述水泥包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥中的一种或几种；所述集料包括河砂、海砂、机制砂和碎石中的一种或几种。

优选的，步骤四中，固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体的混合比例为：按照活性氢当量:环氧当量比为(1.2～1.4):1混合。

优选的，步骤一中，

一级胺包括脂肪族一级胺和/或芳香族一级胺；

二级胺包括脂肪族二级胺、环状二级胺和芳香族二级胺中的一种或几种；

三级胺包括脂肪族三级胺；

芳香胺包括单环芳香胺和/或多环芳香胺；

杂环胺包括饱和杂环胺和/或不饱和杂环胺；

肼类化合物包括单取代肼、二取代肼和三取代肼中的一种或几种；

聚氨基化合物包括线型聚氨基化合物和/或网络聚氨基化合物。

优选的，步骤一中，

所述脂肪族一级胺包括甲胺、乙胺、丙胺和丁胺中的一种或几种；

所述芳香族一级胺包括苯胺、对甲苯胺和对氯苯胺中的一种或几种；

所述脂肪族二级胺包括二甲基胺、二乙基胺和二异丙基胺中的一种或几种；

所述芳香族二级胺包括N-甲基苯胺和/或N-乙基对甲苯胺；

所述脂肪族三级胺包括三乙胺、三丁胺和三异丙基胺中的一种或几种；

所述单环芳香胺包括苯胺、甲苯胺和萘胺中的一种或几种；

所述多环芳香胺包括二甲基联苯胺和/或氨基萘；

所述饱和杂环胺包括四甲基乙二胺和/或三亚乙基四胺；

所述不饱和杂环胺包括吡咯烷胺和/或咔唑胺；

所述单取代肼包括甲肼和/或乙肼；

所述二取代肼包括二甲基肼和/或二乙基肼；

所述三取代肼包括三乙肼和/或N-氨基肼；

所述线型聚氨基化合物包括乙二胺四乙醇、三亚甲基六胺；

所述网络聚氨基化合物包括三取代肼如三乙肼和/或N-氨基肼。

本发明还提出了任一上述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、按配比称量各组分原料，备用；

S2、将水泥、集料混合均匀，得到干料；

S3、将固碳水性环氧树脂固化剂、固碳水性环氧树脂前驱体和水混合，再加入干料，搅拌混合均匀后形成浆体，即得。

本发明还提出了一种CO₂吸收装置，用于固碳水性环氧树脂固化剂的制备，所述CO₂吸收装置包括吸收罐，所述吸收罐的顶部设有进液口、出气口，所述吸收罐的底部设有进气口、出液口，所述吸收罐的内部设有与进气口连通的微孔曝气器，所述吸收罐的侧面设有循环装置，所述循环装置用于使吸收罐内不同高度的液体发生交换，含有CO₂的工业烟气从所述进气口进入吸收罐，经过所述微孔曝气器雾化后从出气口排出。

优选的，所述微孔曝气器的孔径10～100μm，材质选自陶瓷、钢和塑料。

优选的，所述循环装置包括循环泵、循环泵进液管、循环泵出液管，所述循环泵进液管将循环泵的入口与吸收罐的底部连通，所述循环泵出液管将循环泵与吸收罐的上部连通，所述循环泵的内衬、叶轮和进出口选用碳钢、不锈钢、钛合金或陶瓷材质。

有益效果：

(1)本发明采用活性胺吸附CO₂，具有吸收容量大、动力学快速、操作简便、设备投资低等优点，可通过控制胺类型和用量适应不同烟气条件，并对烟气中的CO₂进行靶向吸附；同时，本发明针对胺吸附CO₂存在再生能耗高、胺性能衰减、再生系统复杂、副产物处理复杂等问题，创造性地采用活性胺作为水性环氧树脂的固化剂，并作为混凝土添加剂使用，吸附了CO₂的活性胺与环氧树脂的反应活性有所降低，能够减缓水性环氧树脂的固化，以适应混凝土的固化时间；在反应过程中，会同步释放CO₂，这些CO₂会瞬间被水泥水化中所产生的金属阳离子、水化硅酸钙、氢氧化钙等补集吸收固定，形成微纳结构的碳酸钙，促进了水泥的水化进程，提高混凝土的致密度与耐久性；另一方面，吸附了CO₂的活性胺与水性环氧交联固化的过程在水泥石中形成了网络互穿的水性环氧树脂胶膜，大大提高了有机-无机复合材料的延展性、耐久性、粘结力。

(2)本发明提供的有机-无机复合材料，通过有机-无机组分的协同作用提高CO₂的富集效率和化学转化率，降低再生能耗，增强材料稳定性，能够为CO₂的减排利用提供新思路，构建材料技术与环保的有效结合，助力应对气候变化，实现绿色低碳发展；

(3)本发明采用活性胺吸附CO₂并作为水性环氧树脂的固化剂，对胺结构的要求比较低，经济性好，并避免了需要改进胺结构、开放新溶剂的较高门槛，并能够替代昂贵的环氧树脂固化剂，降低了材料成本，具有较强的经济性与竞争力；

(4)本发明提供的有机-无机复合材料，解决了吸附剂再生的问题，并有效控制有毒氨气的产生，使烟气治理产物被循环再利用于建材生产；

(5)本发明提供的一种CO₂吸收装置，通过在吸收罐内设置微孔曝气器用于气液交换，并采用下进气、气液逆流的进料方式，使烟气进入吸收罐后分散为大量微小气泡，并扩散到单体A中，使气液接触更加充分，提高传质效率，并使CO₂在单体A中分布更加均匀，避免CO₂局部浓度过高导致反应产物析出，提高CO₂与单体A的反应转化率，从而提高CO₂捕集效率和回收率，降低单体A用量，该装置结构紧凑，操作简便，适合工业烟气中的CO2脱除，具有良好的经济效益和环境效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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。其中：

图1为本发明提供的CO₂吸收装置的结构图。

附图标记：1、吸收罐；2、进液口；3、出气口；4、进气口；5、出液口；6、微孔曝气器；7、循环泵；8、循环泵进液管；9、循环泵出液管。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明针对目前CO₂捕集及固定工艺中存在的问题，提供一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，用于CO₂的捕集及固定，按重量份计，该有机-无机复合包括如下成分：

水泥20～50份(例如21份、25份、30份、35份、40份、45份、49份)、固碳水性环氧树脂5～20份(例如6份、8份、10份、12份、15份、17份、19份)、集料30～150份(例如31份、40份、50份、60份、80份、100份、120份、140份、149份)和水3～20份(例如4份、6份、8份、10份、12份、14份、16份、18份、19份)，其中，固碳水性环氧树脂为水性环氧树脂与吸收CO₂后的水性环氧树脂固化剂反应得到。

本发明优选实施例中，固碳水性环氧树脂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将一级胺、二级胺、三级胺、芳香胺、杂环胺、肼类化合物、聚胺基化合物中的一种或几种搅拌均匀，得到单体A，备用；

步骤二、向单体A中通入含有CO₂的工业烟气，当出气量达到进气量的99％时停止反应，得到固碳水性环氧树脂固化剂，备用；

步骤三、将水溶性环氧树脂、自乳化环氧树脂、分散性水性环氧树脂中的一种或几种以任意比混合均匀，得到固碳水性环氧树脂前驱体，备用；

步骤四、将固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体混合，使固碳水性环氧树脂前驱体固化，得到固碳水性环氧树脂。

本发明优选实施例中，水泥包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥中的一种或几种；集料包括河砂、海砂、机制砂和碎石中的一种或几种。

本发明优选实施例中，步骤四中，固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体的混合比例为：按照活性氢当量:环氧当量比为(1.2～1.4):1(例如1.21:1、1.23:1、1.25:1、1.27:1、1.29:1、1.3:1、1.33:1、1.35:1、1.37:1、1.39:1)混合。

本发明优选实施例中，步骤一中，

一级胺包括脂肪族一级胺和/或芳香族一级胺；

二级胺包括脂肪族二级胺、环状二级胺和芳香族二级胺中的一种或几种；

三级胺包括脂肪族三级胺；

芳香胺包括单环芳香胺和/或多环芳香胺；

杂环胺包括饱和杂环胺和/或不饱和杂环胺；

肼类化合物包括单取代肼、二取代肼和三取代肼中的一种或几种；

聚氨基化合物包括线型聚氨基化合物和/或网络聚氨基化合物。

本发明优选实施例中，步骤一中，

脂肪族一级胺包括甲胺、乙胺、丙胺和丁胺中的一种或几种；

芳香族一级胺包括苯胺、对甲苯胺和对氯苯胺中的一种或几种；

脂肪族二级胺包括二甲基胺、二乙基胺和二异丙基胺中的一种或几种；

芳香族二级胺包括N-甲基苯胺和/或N-乙基对甲苯胺；

脂肪族三级胺包括三乙胺、三丁胺和三异丙基胺中的一种或几种；

单环芳香胺包括苯胺、甲苯胺和萘胺中的一种或几种；

多环芳香胺包括二甲基联苯胺和/或氨基萘；

饱和杂环胺包括四甲基乙二胺和/或三亚乙基四胺；

不饱和杂环胺包括吡咯烷胺和/或咔唑胺；

单取代肼包括甲肼和/或乙肼；

二取代肼包括二甲基肼和/或二乙基肼；

三取代肼包括三乙肼和/或N-氨基肼；

线型聚氨基化合物包括乙二胺四乙醇、三亚甲基六胺；

网络聚氨基化合物包括三取代肼如三乙肼和/或N-氨基肼。

应当理解，单体A可以是上述任意几种化合物的混合物，也可以是上述任意一种化合物。

本发明还提出了任一上述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、按配比称量各组分原料，备用；

S2、将水泥、集料混合均匀，得到干料；

S3、将固碳水性环氧树脂固化剂、固碳水性环氧树脂前驱体和水混合，再加入干料，搅拌混合均匀后形成浆体，即得。

本发明还提出一种CO₂吸收装置，用于固碳水性环氧树脂固化剂的制备，向单体A中通入含有CO₂的工业烟气，该CO₂吸收装置包括吸收罐1，吸收罐1的顶部设有进液口2、出气口3，吸收罐1的底部设有进气口4、出液口5，吸收罐1的内部设有与进气口4连通的微孔曝气器6，吸收罐1的侧面设有循环装置，循环装置用于使吸收罐1内不同高度的液体发生交换，含有CO₂的工业烟气从进气口4进入吸收罐1，经过微孔曝气器6雾化后从出气口3排出。

本发明优选实施例中，微孔曝气器6的孔径10～100μm(例如11μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、99μm)，微孔曝气器6的材质可以是陶瓷、钢或者塑料。

本发明优选实施例中，循环装置包括循环泵7、循环泵进液管8、循环泵出液管9，循环泵进液管8将循环泵7的入口与吸收罐1的底部连通，循环泵出液管9将循环泵7与吸收罐1的上部连通，循环泵7的内衬、叶轮和进出口选用碳钢、不锈钢、钛合金或陶瓷材质，以减少腐蚀。

向单体A中通入含有CO₂的工业烟气时，气体压力应控制在0.01-0.5MPa(例如0.02MPa、0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa、0.35MPa、0.40MPa、0.45MPa、0.49MPa)，使产生的气泡直径介于0.001-5mm(例如0.002mm、0.005mm、0.010mm、0.02mm、0.05mm、0.10mm、0.2mm、0.5mm、1.0mm、2mm、4mm)，气泡离开微孔曝气器6后的上升速度介于0.05-0.5m/s(例如0.06m/s、0.08m/s、0.10m/s、0.15m/s、0.20m/s、0.25m/s、0.30m/s、0.40m/s、0.49m/s)。

本发明的反应原理如下：

①二氧化碳与胺反应生成碳酸氢盐和铵盐：

RNH₂+CO₂+H₂O→RNH₃+HCO₃ ^-

②碳酸氢盐失去质子生成碳酸盐：

HCO₃ ^-→CO₃ ^2-+H⁺。

下面通过具体实施例对本发明一种捕集和固定CO₂的复合材料及制备方法、CO₂吸收装置进行详细说明。

下列实施例中：

水溶性环氧树脂为二缩水甘油醚，购自山东昌耀新材料有限公司；

自乳化环氧树脂的牌号为CYD128，购自中国石化巴陵石油化工公司；

分散性水性环氧树脂的牌号为JT-508，购自佛山市隽途新材料有限公司。

下列实施例中使用的工业烟气为燃煤电厂烟气，该烟气中CO₂含量为12％～15％，此外，也可以用于冶金工业、水泥工业、石油工业以及其它化工工业的烟气脱碳处理。

循环泵的参数为：流量:10～10000m³/h，扬程:5～500m，功率:1～500kW，转速:500～5000r/min，循环泵的内衬、泵头以及进出口等与液体接触的部位选用碳钢、不锈钢、钛合金、陶瓷等具有防腐效果的材质，以延长使用寿命。

实施例1

本实施例提供一种用于捕集和固定工业烟气中CO₂的有机-无机复合材料，按重量份计，该复合材料包括如下成分：

水泥50份、固碳水性环氧树脂20份、集料150份和水20份。

其中，水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥与高铝水泥的混合物，具体地，水泥中硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和高铝水泥的重量比为5:1:1；集料由30重量份的河砂与20重量份的碎石混合而成。

其中，固碳水性环氧树脂的制备方法，包括下述步骤：

步骤一、将等重量份的一级胺、二级胺、三级胺、芳香胺、杂环胺、肼类化合物、聚胺基化合物搅拌均匀，得到单体A，备用；

其中，按重量份计，一级胺包括1份甲胺、1份乙胺、2份丙胺、2份丁胺、1份苯胺、2份对甲苯胺和2份对氯苯胺；

二级胺包括1份二甲基胺、3份二乙基胺、2份二异丙基胺、3份苯胺、1份吡咯、1份吡啶、2份N-甲基苯胺和2份N-乙基对甲苯胺；

三级胺包括1份三乙胺、2三丁胺、2三异丙基胺、1咪唑和1嘧啶；

芳香胺包括1份苯胺、2份甲苯胺、2份萘胺、3份二甲基联苯胺和1份氨基萘；

杂环胺包括10份四甲基乙二胺、10份三亚乙基四胺、2份吡咯烷胺和2份咔唑胺；

肼类化合物包括2份甲肼、2份乙肼、2份二甲基肼、2份二乙基、2份三乙肼和2份N-氨基肼；

聚氨基化合物包括2份乙二胺四乙醇、2份三亚甲基六胺、2份二聚氨基甲酸盐和2份三聚氨基甲酸盐。

步骤二、使用图1所示的装置，向单体A中通入含有CO₂的工业烟气，当出气量达到进气量的99％时停止反应，得到固碳水性环氧树脂固化剂，备用。

步骤三、将水溶性环氧树脂、自乳化环氧树脂、分散性水性环氧树脂按质量比1:1:1混合均匀，得到固碳水性环氧树脂前驱体，备用。

步骤四、将固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体按照活性氢当量:环氧当量比为1.2:1混合，使固碳水性环氧树脂前驱体固化，得到固碳水性环氧树脂。

该复合材料的制备方法为：

S1、按配比称量各组分原料，备用；

S2、将水泥、集料混合均匀，得到干料；

S3、将固碳水性环氧树脂固化剂、固碳水性环氧树脂前驱体和水混合，再加入干料，搅拌混合均匀后形成浆体，即得用于捕集和固定工业烟气中CO₂的有机-无机复合材料。

性能测试：

将浆体在浇筑于试模，25℃下表面覆膜养护24小时使其完全硬化，随后脱模并检测其各项性能指标，参照标准JCT 984-2011《聚合物水泥防水砂浆》，测得其性能如下：

抗压强度(28d)55MPa，抗折强度(28d)10.1MPa，抗拉强度(28d)5.3MPa，粘结强度(28d)2.5Mpa，孔隙率1.2％，轴拉韧性比2.2，初凝时间0.8小时，终凝时间4.0小时，单次冲击能耗32.4J、抗冻耐久性指数99％。

实施例2

本实施例提供一种用于捕集和固定工业烟气中CO₂的有机-无机复合材料，按重量份计，该复合材料包括如下成分：

水泥20份、固碳水性环氧树脂5份、集料50份和水3份。

其中，水泥、固碳水性环氧树脂、集料的组成和实施例1一致。

该复合材料的制备方法参考实施例1。

性能测试：

将浆体在浇筑于试模，25℃下表面覆膜养护24小时使其完全硬化，随后脱模并检测其各项性能指标，参照标准JCT 984-2011《聚合物水泥防水砂浆》，测得其性能如下：

抗压强度(28d)65MPa，抗折强度(28d)11.1MPa，抗拉强度(28d)5.3MPa，粘结强度(28d)2.6Mpa，孔隙率1.4％，轴拉韧性比2.5，初凝时间0.8小时，终凝时间4.2小时，单次冲击能耗35.4J、抗冻耐久性指数98％。

实施例3

本实施例提供一种用于捕集和固定工业烟气中CO₂的有机-无机复合材料，按重量份计，该复合材料包括如下成分：

水泥30份、固碳水性环氧树脂15份、集料100份和水10份。

其中，水泥、固碳水性环氧树脂、集料的组成和实施例1一致。

该复合材料的制备方法参考实施例1。

性能测试：

将浆体在浇筑于试模，25℃下表面覆膜养护24小时使其完全硬化，随后脱模并检测其各项性能指标，参照标准JCT 984-2011《聚合物水泥防水砂浆》，测得其性能如下：

抗压强度(28d)55MPa，抗折强度(28d)11.3MPa，抗拉强度(28d)6.7MPa，粘结强度(28d)2.7Mpa，孔隙率1.7％，轴拉韧性比2.9，初凝时间0.9小时，终凝时间4.7小时，单次冲击能耗41.4J、抗冻耐久性指数99％。

实施例4

本实施例提供一种用于捕集和固定工业烟气中CO₂的有机-无机复合材料，按重量份计，该复合材料包括如下成分：

水泥50份、固碳水性环氧树脂20份、集料150份和水20份。

其中，水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥与高铝水泥的混合物，具体地，水泥中硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和高铝水泥的重量比为5:1:1；集料由30重量份的河砂与20重量份的碎石混合而成。

其中，固碳水性环氧树脂的制备方法，包括下述步骤：

步骤一、将等重量份的杂环胺、聚胺基化合物搅拌均匀，得到单体A，备用；

其中，按重量份计，杂环胺包括1份四甲基乙二胺、1份三亚乙基四胺；

聚氨基化合物包括1份乙二胺四乙醇、2份三亚甲基六胺、3份二聚氨基甲酸盐和2份三聚氨基甲酸盐。

步骤二、使用图1所示的装置，向单体A中通入含有CO₂的工业烟气，当出气量达到进气量的99％时停止反应，得到固碳水性环氧树脂固化剂，备用。

步骤三、将水溶性环氧树脂、自乳化环氧树脂、分散性水性环氧树脂按质量比1:1:1混合均匀，得到固碳水性环氧树脂前驱体，备用。

步骤四、将固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体按照活性氢当量:环氧当量比为1.2:1混合，使固碳水性环氧树脂前驱体固化，得到固碳水性环氧树脂。

该复合材料的制备方法为：

S1、按配比称量各组分原料，备用；

S2、将水泥、集料混合均匀，得到干料；

S3、将固碳水性环氧树脂固化剂、固碳水性环氧树脂前驱体和水混合，再加入干料，搅拌混合均匀后形成浆体，即得用于捕集和固定工业烟气中CO₂的有机-无机复合材料。

性能测试：

将浆体在浇筑于试模，25℃下表面覆膜养护24小时使其完全硬化，随后脱模并检测其各项性能指标，参照标准JCT 984-2011《聚合物水泥防水砂浆》，测得其性能如下：

抗压强度(28d)48MPa，抗折强度(28d)7.1MPa，抗拉强度(28d)4.4MPa，粘结强度(28d)2.3Mpa，孔隙率2.2％，轴拉韧性比2.3，初凝时间0.9小时，终凝时间4.1小时，单次冲击能耗31.4J、抗冻耐久性指数97％。

对比例1

本对比例在对比例1的基础上，提供一种有机-无机复合材料，按重量份计，该复合材料包括如下成分：

水泥50份、水性环氧树脂20份、集料150份和水20份。

其中，水泥为硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥与高铝水泥的混合物，具体地，水泥中硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和高铝水泥的重量比为5:1:1；集料由30重量份的河砂与20重量份的碎石混合而成。

其中，固碳水性环氧树脂的制备方法参照实施例1，不同之处在于，步骤二中，不通入含CO₂的工业烟气，直接以单体A作为固碳水性环氧树脂固化剂，其它步骤与实施例1相同。

该复合材料的制备方法同实施例1。

在该有机-无机复合材料制备时，将固碳水性环氧树脂固化剂、固碳水性环氧树脂前驱体和水混合后发生爆聚，浆体瞬间固化，反应速度过快，难以在生产中应用。

对比例2

本对比例在对比例1的基础上，提供一种有机-无机复合材料，按重量份计，该复合材料包括如下成分：

水泥50份、水性环氧树脂20份、集料150份和水20份。

其中，水泥为磷酸镁，具体地；集料由30重量份的河砂与20重量份的碎石混合而成。

其中，固碳水性环氧树脂的制备方法，包括下述步骤：

步骤一、将等重量份的杂环胺、聚胺基化合物搅拌均匀，得到单体A，备用；

其中，按重量份计，杂环胺包括1份四甲基乙二胺、1份三亚乙基四胺；

聚氨基化合物包括1份乙二胺四乙醇、2份三亚甲基六胺、3份二聚氨基甲酸盐和2份三聚氨基甲酸盐。

步骤二、使用图1所示的装置，向单体A中通入含有CO₂的工业烟气，当出气量达到进气量的99％时停止反应，得到固碳水性环氧树脂固化剂，备用。

步骤三、将水溶性环氧树脂、自乳化环氧树脂、分散性水性环氧树脂按质量比1:1:1混合均匀，得到固碳水性环氧树脂前驱体，备用。

步骤四、将固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体按照活性氢当量:环氧当量比为1.2:1混合，使固碳水性环氧树脂前驱体固化，得到固碳水性环氧树脂。

该复合材料的制备方法同实施例1。

性能测试：

将浆体在浇筑于试模，25℃下表面覆膜养护24小时使其完全硬化，随后脱模并检测其各项性能指标，参照标准JCT 984-2011《聚合物水泥防水砂浆》，测得其性能如下：

抗压强度(28d)21MPa，抗折强度(28d)3.1MPa，抗拉强度(28d)0.5MPa，粘结强度(28d)0.2Mpa，孔隙率9.2％，轴拉韧性比1.3，初凝时间0.3小时，终凝时间2.1小时，单次冲击能耗7.4J、抗冻耐久性指数77％。

可见，由于磷酸镁水泥并非富钙体系，对二氧化碳的固定能力差，导致浆体中孔隙多、强度低，且由于磷酸镁水泥固结太快，导致水性环氧体系与之性能难以协同固化，因此难以在生产中应用。

综上，本发明提供的有机-无机复合材料具有较短的初凝、终凝时间，且抗压、抗折强度高，抗冻性好，是一种性能优良的建筑材料，能够广泛应用于建筑施工，并被大量消耗，经济价值高，解决了CO₂捕集及固定材料的应用难题。

设法高效捕集和固定工业烟气中的CO₂，开发相应的有机-无机复合材料，意义重大，不仅可以减少CO₂排放，为极端气候提供技术支持，还可以实现CO₂从废物到资源的转化，推动绿色低碳产业发展，减轻CO₂的环境危害，节约资源和能源，并可以为碳捕集、封存与利用技术提供基础材料平台，这既拓宽了材料技术的应用领域，也让材料技术的进步对环境保护和可持续发展做出重要贡献。

本发明充分利用了胺类吸附CO₂的优点，又创新性地解决了胺吸附CO₂存在的问题。一方面，吸附了CO₂的活性胺与环氧树脂反应固化，不仅增强了复合材料性能，还可以在反应过程中释放CO₂实现零排放；另一方面，释放的CO₂被水泥基质吸收固定，生成碳酸盐晶核显著促进水泥水化，这样不仅降低成本，提高产品附加值，实现烟气治理和建材生产的有机结合，还解决了胺吸附CO₂中的许多问题，展现出创新性和可持续发展理念。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，其特征在于，按重量份计，包括如下成分：

水泥20~50份、固碳水性环氧树脂5~20份、集料30~150份和水3~20份，其中，所述固碳水性环氧树脂为水性环氧树脂与吸收CO₂后的水性环氧树脂固化剂反应得到，所述水性环氧树脂固化剂的原料包括一级胺、二级胺、三级胺和肼类化合物中的一种或几种。

2.如权利要求1所述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，其特征在于，所述固碳水性环氧树脂的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将一级胺、二级胺、三级胺、肼类化合物中的一种或几种搅拌均匀，得到单体A，备用；

步骤二、向单体A中通入含有CO₂的工业烟气，当出气量达到进气量的99%时停止反应，得到固碳水性环氧树脂固化剂，备用；

步骤三、将水溶性环氧树脂、自乳化环氧树脂、分散性水性环氧树脂中的一种或几种混合均匀，得到固碳水性环氧树脂前驱体，备用；

步骤四、将固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体混合，使固碳水性环氧树脂前驱体固化，得到固碳水性环氧树脂。

3.如权利要求1所述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，其特征在于，所述水泥包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥中的一种或几种；所述集料包括河砂、海砂、机制砂和碎石中的一种或几种。

4.如权利要求2所述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，其特征在于，步骤四中，固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体的混合比例为：按照活性氢当量:环氧当量比为(1.2~1.4):1混合。

5.如权利要求2所述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，其特征在于，步骤一中，

一级胺包括脂肪族一级胺和/或芳香族一级胺；

二级胺包括脂肪族二级胺、环状二级胺和芳香族二级胺中的一种或几种；

三级胺包括脂肪族三级胺；

肼类化合物包括单取代肼、二取代肼和三取代肼中的一种或几种。

6.如权利要求5所述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料，其特征在于，步骤一中，

所述脂肪族一级胺包括甲胺、乙胺、丙胺和丁胺中的一种或几种；

所述芳香族一级胺包括苯胺、对甲苯胺和对氯苯胺中的一种或几种；

所述脂肪族二级胺包括二甲基胺、二乙基胺和二异丙基胺中的一种或几种；

所述芳香族二级胺包括N-甲基苯胺和/或N-乙基对甲苯胺；

所述脂肪族三级胺包括三乙胺、三丁胺和三异丙基胺中的一种或几种；

所述单取代肼包括甲肼和/或乙肼；

所述二取代肼包括二甲基肼和/或二乙基肼；

所述三取代肼包括三乙肼和/或N-氨基肼。

7.如权利要求1~6任一所述的一种捕集和固定CO₂的有机-无机复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、按配比称量各组分原料，备用；

S2、将水泥、集料混合均匀，得到干料；

S3、将固碳水性环氧树脂固化剂、固碳水性环氧树脂前驱体和水混合，再加入干料，搅拌混合均匀后形成浆体，即得。