CN117654521A - 一种铁铈金属复合盐催化剂及其制备方法和在催化二氧化碳解吸中的应用 - Google Patents
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Abstract
一种铁铈金属复合盐催化剂及其制备方法和在催化二氧化碳解吸中的应用,该方法包括以下步骤:将硝酸铈、富马酸、氯化高铁加入到离子水中,通过超声在常温下混匀配制成混合溶液;将混合溶液倒入水热釜中后放入50‑90℃的真空烘箱中反应6‑15h;静置至温度冷却至常温,倒掉上清液,多次水洗和醇洗催化剂表面的杂质;将材料放入50‑90℃的真空烘箱中烘干得到前驱体材料;将前驱体材料进行空气煅烧或氮气煅烧处理后,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。该制备方法简单,所制备得到的催化剂应用到二氧化碳富液解吸过程中,可显著提高解吸速率和解吸效率,降低富CO2胺溶液的再生能耗,从而降低有机胺法捕获CO2的成本。
Description
技术领域
本发明属于催化剂加工技术领域,具体涉及一种铁铈金属复合盐催化剂及其制备方法和在催化二氧化碳解吸中的应用。
背景技术
碳捕集技术作为应对气候变化的关键方法之一,已受到广泛关注。传统捕集工艺在化工和环境保护领域发挥着重要作用,然而其在解吸过程中存在解吸容量小、速率低等问题,这限制了工艺的效率和可行性。有机胺溶液作为捕集剂,广泛用于捕获二氧化碳(CO2)等气体,但解吸过程耗时且能耗较高,严重影响工艺的可持续性和经济性。因此,开发一种能够加速解吸速率、提高解吸容量的方法,对于改进传统捕集工艺、提升能源效率和减少碳排放具有重要意义。
针对富CO2胺溶液再生能耗高的问题,使用固体酸催化剂降低有机胺溶剂再生能耗有望克服该项技术的瓶颈。但现有的催化剂还不足以降低其再生能耗至较为理想的水平,为进一步减低富CO2胺溶液再生能耗,进而降低CO2捕获成本,提高胺法捕获CO2的实用性。开发设计新型高效的固体催化剂应用于富CO2胺溶液再生过程,具有重大的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种铁铈金属复合盐催化剂及其制备方法和在催化二氧化碳解吸中的应用,该制备方法简单,所制备得到的催化剂应用到二氧化碳富液解吸过程中,可显著提高解吸量和解吸效率,降低富CO2胺溶液的再生能耗,从而降低有机胺法捕获CO2的成本。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将硝酸铈、富马酸、氯化高铁加入到离子水中,通过超声在常温下混匀配制成混合溶液;
(2)将混合溶液倒入水热釜中后放入50-90℃的真空烘箱中反应6-15h;
(3)静置至温度冷却至常温,倒掉上清液,用抽滤机或离心机经过多次水洗和醇洗催化剂表面的杂质;
(4)将材料放入50-90℃的真空烘箱中6-15h烘干得到前驱体材料;
(5)将前驱体材料后续处理:空气煅烧或氮气煅烧处理后,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
优选的,步骤(1)中,所述硝酸铈在混合溶液中的浓度为0.06-0.4mol/L;所述硝酸铈、富马酸、氯化高铁之间的摩尔比为0.15:0.35:0.5。
进一步的,步骤(5)中,所述空气煅烧处理的具体过程为:将前驱体材料转移到箱式电阻炉中,在300-600℃下煅烧保温2-5h,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
优选的,步骤(5)中,空气煅烧在400℃下煅烧保温3h。
进一步的,步骤(5)中,所述氮气煅烧处理的具体过程为:将前驱体材料转移到磁舟中,将磁舟放入管式炉中,用氮气排除管式炉子中的空气,在炉温600-700℃下煅烧2-5h,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
优选的,步骤(5)中,氮气煅烧在600℃下煅烧保温3h。
优选的,步骤(2)中,将混合溶液倒入水热釜中后放入70℃的真空烘箱中反应12h。
本发明还提供一种由上述制备方法制备而成的铁铈金属复合盐催化剂。
本发明还提供上述铁铈金属复合盐催化剂在催化二氧化碳解吸中的应用,将所述铁铈金属复合盐催化剂加入富CO2的MEA水溶液中,在92℃反应解吸CO2,实现MEA的再生;所述MEA水溶液的浓度为4.9mol/L;富CO2的MEA水溶液中CO2含量0.61-0.67mol CO2/molMEA。
优选的,所述铁铈金属复合盐催化剂在富CO2的MEA水溶液中的质量浓度为0.05%。
本发明中铁铈金属复合盐作为一种双金属MOF材料,在其制备技术的基础上通过Ce掺杂工程,通过引入配体缺失提供了更丰富的路易斯酸性,从而增大CO2解吸量。
与现有技术相比,本发明有益效果如下:
(1)本发明催化剂制备过程工艺简便,原料便宜易得;本发明中铁铈金属复合盐作为一种双金属MOF材料,因其高表面积、可调控性以及丰富的功能性质,在CO2捕集和解吸方面具备潜力;
(2)显著提高解吸速率:本发明引入的MOF类催化剂在有机胺溶剂中实现CO2解吸的过程中,显著提高了解吸速率。相对于传统的催化剂或纯胺液,本发明材料能够更快速地促进CO2的脱附,从而大幅缩短解吸时间,提高系统的处理效率,降低了富CO2胺溶液的再生能耗,从而降低有机胺法捕获CO2的成本;
(3)增强催化活性和效率:金属MOF催化剂通过其高度可调活性位点,有效地与CO2分子相互作用,增强了催化活性和效率,这种强化的相互作用能够在较短时间内实现更多的CO2解吸,使催化剂在碳捕集系统中发挥更大作用。
附图说明
图1为空白实验、实施例1和实施例2分别所制备得到催化剂加入到富CO2的MEA溶液中进行催化-解吸的解吸量图;
图2为空白实验、实施例1和实施例2分别所制备得到催化剂加入到富CO2的MEA溶液中进行催化-解吸的解吸速率图;
图3为有机胺(MEA)解吸CO2的装置图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
富CO2的MEA水溶液:向MEA水溶液中通入CO2,吸收温度为40℃,吸收至饱和得到富CO2的MEA水溶液;所述MEA水溶液的浓度为4.9mol/L;富CO2的MEA水溶液中CO2含量0.61-0.67molCO2/mol MEA。
空白实验:将富CO2的MEA水溶液升温至92℃,进行解吸,解吸结果见表1和图1、图2。
乙醇胺(MEA)是有机胺用于二氧化碳(CO2)捕集的基本方法之一,其稳定的氨基甲酸酯产物是再生胺液所需高能耗的主要障碍,它也作为检验本发明中催化剂性能良好的标准。通过在相同解吸温度下增加解吸速率,使用湿式流量计进行间接测量,并通过油浴提供热量,可以降低胺溶液的再生能耗。
模拟实际脱碳工艺搭建CO2吸收解吸装置,使用图3中所示的MEA溶液热解吸装置,其主要部分为一个容量为250毫升的三口烧瓶。左侧颈口用橡胶塞(或玻璃塞)密封,以确保装置的密封性。在中央颈口处,连接了一个长度为300毫米的蛇形冷凝管。这个冷凝管的作用是防止在高温解吸过程中胺液挥发损失。冷凝管之后连接了湿式流量计,用于实时测量胺液的解吸量。右侧颈口上安装了一个温度计,以实时监测胺溶液的温度变化。胺溶液的升温是通过油浴进行的,同时使用转子搅拌来确保催化剂与胺溶液充分混合。
为了完成实验,首先将80分钟内以200ml/min的速率向浓度为4.9mol/L的MEA水溶液(容量为200ml)中通入CO2,CO2吸收温度为40℃,吸收至饱和,这样处理后,MEA水溶液的CO2负载量在0.61-0.67mol CO2/mol有机胺之间。接下来,分别向这些MEA溶液中添加表1中所示的催化剂(空白则指未添加催化剂),催化剂的添加量为0.05g。将三颈烧瓶置于92℃的油浴锅中进行反应,直至解吸结束。一般而言,当湿式流量计停滞不动约5分钟时,可视为解吸结束的标志。解吸出的CO2气体经过冷凝管后到达湿式流量计,最后,利用Origin绘图软件绘制实验结果,列入表1。
在完全相同的实验条件下,未加入催化剂的胺液解吸结果被定义为“空白”,而在实施例中加入催化剂后的CO2解吸量和解吸速率列入表1。实验结果显示,本发明的催化剂材料能够使解吸速率最高提升33.3%。
实施例1
一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将2.605g硝酸铈、2.321g富马酸、3.787g氯化高铁加入到150ml离子水中,通过超声在常温下混匀配制成混合溶液;
(2)将混合溶液倒入水热釜中后放入70℃的真空烘箱中反应12h;
(3)静置至温度冷却至常温,倒掉上清液,用抽滤机或离心机经过多次水洗和醇洗催化剂表面的杂质;
(4)将材料放入70℃的真空烘箱中烘干12h得到前驱体材料;
(5)将前驱体材料转移到箱式电阻炉中,在400℃下煅烧保温3h,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
将本实施例所制备得到的铁铈金属复合盐催化剂加入到纯MEA溶液中,升温至92℃,进行催化-解吸;所述铁铈金属复合盐催化剂在富CO2的MEA水溶液中的质量浓度为0.05%,解吸结果见表1和图1、图2。
实施例2
前四个步骤保持与实施例1一致,将实施例1中步骤5)改为:将前驱体材料转移到磁舟中,将磁舟放入管式炉中,用氮气排除管式炉子中的空气,在炉温600℃下煅烧3h,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
将本实施例所制备得到的铁铈金属复合盐催化剂加入到纯MEA溶液中,升温至92℃,进行催化-解吸;所述铁铈金属复合盐催化剂在在富CO2的MEA水溶液中的质量浓度为0.05%,解吸结果见表1和图1、图2。
表1对比例与实施例分别应用于吸附有CO2 MEA溶液的解吸量与解吸效率对比
由表1、图1和图2可以清楚地看出,所有实施例中制备的催化剂都显著提高了CO2的解吸量和解吸速率。特别是在实施例2中,经过氮气煅烧处理,解吸速率提高了约33.3%,明显优于实施例1中的情况(解吸速率提高了约22.8%),这表明催化剂的氮气煅烧处理对提高解吸速率具有显著的优势。
Claims (10)
1.一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将硝酸铈、富马酸、氯化高铁加入到离子水中,通过超声在常温下混匀配制成混合溶液;
(2)将混合溶液倒入水热釜中后放入50-90℃的真空烘箱中反应6-15h;
(3)静置至温度冷却至常温,倒掉上清液,用抽滤机或离心机经过多次水洗和醇洗催化剂表面的杂质;
(4)将材料放入50-90℃的真空烘箱中6-15h烘干得到前驱体材料;
(5)前驱体材料后续处理:空气煅烧或氮气煅烧处理后,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述硝酸铈在混合溶液中的浓度为0.06-0.4mol/L;所述硝酸铈、富马酸、氯化高铁之间的摩尔比为0.15:0.35:0.5。
3.根据权利要求1或2所述的一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述空气煅烧处理的具体过程为:将前驱体材料转移到箱式电阻炉中,在300-600℃下煅烧保温2-5h,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
4.根据权利要求3所述的一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,空气煅烧在400℃下煅烧保温3h。
5.根据权利要求1或2所述的一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述氮气煅烧处理的具体过程为:将前驱体材料转移到磁舟中,将磁舟放入管式炉中,用氮气排除管式炉子中的空气,在炉温600-700℃下煅烧2-5h,最后冷却至常温取出得到铁铈金属复合盐催化剂。
6.根据权利要求5所述的一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,氮气煅烧在600℃下煅烧保温3h。
7.根据权利要求1或2所述的一种铁铈金属复合盐催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,将混合溶液倒入水热釜中后放入70℃的真空烘箱中反应12h。
8.一种由权利要求1-7中任一项所述制备方法制备而成的铁铈金属复合盐催化剂。
9.根据权利要求8所述的铁铈金属复合盐催化剂在催化二氧化碳解吸中的应用,其特征在于,将所述铁铈金属复合盐催化剂加入富CO2的MEA水溶液中,在92℃反应解吸CO2,实现MEA的再生;所述MEA水溶液的浓度为4.9mol/L;富CO2的MEA水溶液中CO2含量0.61-0.67molCO2/molMEA。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述铁铈金属复合盐催化剂在富CO2的MEA水溶液中的质量浓度为0.05%。
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