CN103990442A - 一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺co2吸附材料的方法 - Google Patents
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺co2吸附材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，利用价格较为便宜且有大规模工业供应源的沉淀法纳米二氧化硅作为基体，通过湿浸渍的方式将具有较高热稳定性和较高胺基含量的聚乙烯亚胺负载到基体上，从而制备出具有较高热稳定和循环吸附稳定性的固态胺CO2吸附材料；该材料能够适用于25℃到150℃温度范围，该温度范围能够很好的覆盖典型烟气的温度范围，故能够稳定地应用于烟气中CO2的捕集；该材料还具有解吸能耗低的特点，能够在能耗小于1.8×106kJ(ΔT＝15℃)的条件下实现CO2的解吸，其能耗只有30％MEA水溶液吸收CO2***能耗的40％(ΔT＝40.56℃)。
Description
技术领域
本发明涉及有机胺的湿浸渍负载及二氧化碳吸附材料的制备，具体涉及一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法。
背景技术
直接从二氧化碳的排放源进行二氧化碳的捕集、利用和封存(CCUS)被认为是减少温室气体排放，抑制全球气候变暖趋势的最有效的方式。面对二氧化碳减排的需要，包括中国在内的世界各国都在积极地开展二氧化碳捕集技术和材料的开发研究。目前，已有多种的技术被用于二氧化碳捕集，包括链烷醇胺水溶液吸收二氧化碳的技术，利用活性炭、沸石、MOFs、固态胺材料、碱土金属氧化物吸附二氧化碳技术，低温分离二氧化碳技术，膜分离技术。
在这些技术中，链烷醇胺水溶液吸收二氧化碳技术，如单乙醇胺(MEA)水溶液，是目前最成熟的技术并已经被实际应用到二氧化碳的捕集。但是该技术存在一系列难以解决的问题，使得其难以进行大规模的应用。首先，该技术能耗极高。该技术在实际应用中水的重量占到了70％左右，这就使得在进行二氧化碳的解吸过程中需要将大量水加热蒸发，从而使得该技术的能耗极高。例如，使用30％的MEA的水溶液吸收二氧化碳，在进行解吸时其能耗高达解吸1吨的二氧化碳需要消耗4.5×106kJ的能量(ΔT＝40.56℃),这相当于154公斤的标准煤完全燃烧所放出的热量。其次，该技术存在较为严重的有机胺的挥发和降解，从而使得在实际使用中需要经常添加新鲜的有机胺，从而增加了成本。然后，该技术由于是水溶液，故于吸附解吸设备的基础面积较大，并由于溶液的性质的变化从而导致设备的腐蚀也较为严重。
在吸附材料中，活性炭、沸石、及MOFs是物理吸附，其对二氧化碳的吸附选择性较低，而且它们只能在较低的温度和很高的二氧化碳压力下才能表现 出很好的吸附效果，同时它们对于水蒸气的存在很敏感，水蒸气会明显地影响其二氧化碳的吸附效果，因此该类材料不适用于从烟气中进行二氧化碳的捕集。对于碱土金属的氧化物，特别是氧化钙材料，具有很高的二氧化碳吸附容量和热稳定性，但是该类材料需要在很高的温度下进行工作，通常要超过650℃。而从烟气中进行二氧化碳的捕集，最好的方式是在经过脱硫后在进行捕集，这时烟气的温度已经降低到100多度甚至更低的温度，因此采用氧化钙捕集二氧化碳就存在烟气在对烟气进行加热的问题，这就存在能耗增加的问题。
而对于低温分离和膜分离捕集二氧化碳技术来说，只能适用于某些特定的技术需求，其无法应用于大规模的烟气中二氧化碳的捕集。在目前，固态胺二氧化碳吸附材料被认为是最具有应用前景的技术，特别是采用浸渍法制备的固态胺材料具有成为链烷醇胺水溶液技术的替代技术的潜力。
固态胺二氧化碳吸附材料是将有机胺通过一定的技术方式将有机胺负载到一种固态的基体上，如二氧化硅、活性炭、多孔树脂等，而合成的一种呈现固体形态的含有机胺的二氧化碳吸附材料。目前，二氧化硅基体由于其良好的稳定性及较高的孔隙度而成为固态胺材料合成中最常用的基体。固态胺二氧化碳吸附材料，由于胺基的存在使得其对二氧化碳的吸附选择性增强，并且该材料对水蒸气具有很强的适应性，在有水蒸气存在的情况下能更有效的捕集二氧化碳。固态胺材料具有较大的吸附容量，设计良好的固态胺材料其二氧化碳吸附容量能达到3mol CO2/kg吸附剂以上，这使得该材料具有很强的竞争力。更为重要的是，该类材料能够发挥良好性能的最佳温度范围位于25℃到150℃之间，该温度范围与烟气的温度范围较好地吻合，从而通过吸附解吸装置和传热的良好设计布局可以实现在能耗极的情况下进行二氧化碳的循环吸附解吸过程。因此，固态胺由于其众多的优点成为目前二氧化碳捕集材料开发领域研究的热点，其未来的工业化应用潜力巨大。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于纳米二氧 化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，制备的吸附材料具有良好的热稳定性和较高的CO2吸附容量，并能在较低的能耗下实现CO2的解吸，并具备较高的循环吸附稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，包括以下步骤：首先在烧杯中加入一定量的聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine，简称PEI)，接着加入25ml的甲醇，在室温下搅拌使PEI完全溶解，再加入2g纳米二氧化硅和5ml甲醇；然后在室温下搅拌(5个小时即可)直至待烧杯中的液体变成粘稠状，将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空干燥箱中50℃下干燥2个小时。
所述聚乙烯亚胺的称取量为0.86～3.91g；聚乙烯亚胺为分子量600Da、1200Da或10000Da的分枝状聚乙烯亚胺，或者为分子量2500Da的线性聚乙烯亚胺。量中形态的PEI的分子结构式如下：
(1)分枝状PEI
(2)线性PEI
所述纳米二氧化硅预先在105℃下真空干燥3个小时，所述二氧化硅为沉淀法纳米二氧化硅，该二氧化硅的一些特性列于如下表中：
纳米二氧化硅的一些性质参数
与现有技术相比，本发明将具有较高热稳定性的PEI利用湿浸渍的原理负载到纳米二氧化硅基体上，从而制备具有较高热稳定性的固态胺CO2吸附材料。该材料能够在25℃到160℃的温度范围内使用并保持良好的热稳定性。由于PEI中较高的胺基含量，因此材料具有较高的CO2吸附容量，在最佳条件下可以达到3mol CO2/kg吸附材料，这使得该材料在吸附容量上具有较强的竞争力。该固态胺材料具有较容易解吸的特性，在利用变温吸附可以方便的实现其解吸的目的，并且CO2的解吸能耗较低，解吸1吨的二氧化碳所需要的能量小于1.8×106kJ的能量(ΔT＝15℃)，只有30％MEA水溶液吸收CO2***能耗的40％(ΔT＝40.56℃)。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例1：
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，首先用150ml的烧杯称取0.86g的分子量为600Da的分枝状PEI，然后向烧杯中加入25ml的甲醇，在室温下搅拌30分钟，使PEI完全溶解在甲醇中。然后称取2g纳米二氧化硅(所使用的纳米二氧化硅已在105℃下真空(≤1mmHg)干燥了3个小时)，加入烧杯中，紧接着在加入5ml的甲醇。之后，在室温下搅拌5个小时，待烧杯中的液体变成了非常粘稠的状态后将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空(≤1mmHg)干燥箱中50℃下干燥2个小时。通过元素分析，可以确定所制备的材料的PEI的负载量为30％。将该样品命名为：30％BPEI/600-silica。
实施例2：
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，首先用150ml的烧杯称取2.26g的分子量为600Da的分枝状PEI，然后向烧杯中加 入25ml的甲醇，在室温下搅拌30分钟，使PEI完全溶解在甲醇中。然后称取2g纳米二氧化硅(所使用的纳米二氧化硅已在105℃下真空(≤1mmHg)干燥了3个小时)，加入烧杯中，紧接着在加入5ml的甲醇。之后，在室温下搅拌5个小时，待烧杯中的液体变成了非常粘稠的状态后将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空(≤1mmHg)干燥箱中50℃下干燥2个小时。通过元素分析，可以确定所制备的材料的PEI的负载量为50％。将该样品命名为：50％BPEI/600-silica。
实施例3：
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，首先用150ml的烧杯称取3.88g的分子量为600Da的分枝状PEI，然后向烧杯中加入25ml的甲醇，在室温下搅拌30分钟，使PEI完全溶解在甲醇中。然后称取2g纳米二氧化硅(所使用的纳米二氧化硅已在105℃下真空(≤1mmHg)干燥了3个小时)，加入烧杯中，紧接着在加入5ml的甲醇。之后，在室温下搅拌5个小时，待烧杯中的液体变成了非常粘稠的状态后将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空(≤1mmHg)干燥箱中50℃下干燥2个小时。通过元素分析，可以确定所制备的材料的PEI的负载量为60％。将该样品命名为：60％BPEI/600-silica。
实施例4：
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，首先用150ml的烧杯称取3.91g的分子量为1200Da的分枝状PEI，然后向烧杯中加入25ml的甲醇，在室温下搅拌30分钟，使PEI完全溶解在甲醇中。然后称取2g纳米二氧化硅(所使用的纳米二氧化硅已在105℃下真空(≤1mmHg)干燥了3个小时)，加入烧杯中，紧接着在加入5ml的甲醇。之后，在室温下搅拌5个小时，待烧杯中的液体变成了非常粘稠的状态后将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空(≤1mmHg)干燥箱中50℃下干燥2个小时。通过元素分析，可以确定所制备的材料的PEI的负载量为60％。将 该样品命名为：60％BPEI/1200-silica。
实施例5：
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，首先用150ml的烧杯称取3.91g的分子量为10000Da的分枝状PEI，然后向烧杯中加入25ml的甲醇，在室温下搅拌30分钟，使PEI完全溶解在甲醇中。然后称取2g纳米二氧化硅(所使用的纳米二氧化硅已在105℃下真空(≤1mmHg)干燥了3个小时)，加入烧杯中，紧接着在加入5ml的甲醇。之后，在室温下搅拌5个小时，待烧杯中的液体变成了非常粘稠的状态后将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空(≤1mmHg)干燥箱中50℃下干燥2个小时。通过元素分析，可以确定所制备的材料的PEI的负载量为60％。将该样品命名为：60％BPEI/10000-silica。
实施例6：
一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，首先用150ml的烧杯称取2.05g的分子量为2500Da的线性PEI，然后向烧杯中加入25ml的甲醇，在室温下搅拌30分钟，使PEI完全溶解在甲醇中。然后称取1.21g纳米二氧化硅(所使用的纳米二氧化硅已在105℃下真空(≤1mmHg)干燥了3个小时)，加入烧杯中，紧接着在加入5ml的甲醇。之后，在室温下搅拌5个小时，待烧杯中的液体变成了非常粘稠的状态后将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空(≤1mmHg)干燥箱中50℃下干燥2个小时。通过元素分析，可以确定所制备的材料的PEI的负载量为60％。将该样品命名为：60％LPEI/2500-silica。
下面对实施例1-6所制备的固态胺二氧化碳吸附材料的二氧化碳吸附容量及、二氧化碳循环吸附稳定性进行测试。
二氧化碳吸附测试
吸附测试例1：利用同步热重分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1)对样品30％BPEI/600-silica进行二氧化碳吸附容量的测试，对该材料在45℃、60℃、 75℃、90℃及105℃下的二氧化碳的吸附容量进行了测试。首先将10mg左右的吸附材料放置于150ul氧化铝坩埚中并精确称量样品重量后将其放入热重分析仪炉体内，在20ml/min的N2气流速度将样品从30℃升高至120℃,在120℃下停留30分钟。然后将温度降到测试温度，并通入高纯度的二氧化碳气体，气流速度为60ml/min,在105℃下停留90分钟后测试结束，测试结果列于下表中：
30％BPEI/600-silica的二氧化碳吸附容量测试结果
吸附测试例2：利用同步热重分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1)对样品50％BPEI/600-silica进行二氧化碳吸附容量的测试，对该材料在45℃、60℃、75℃、90℃及105℃下的二氧化碳的吸附容量进行了测试。首先将10mg左右的吸附材料放置于150ul氧化铝坩埚中并精确称量样品重量后将其放入热重分析仪炉体内，在20ml/min的N2气流速度将样品从30℃升高至120℃,在120℃下停留30分钟。然后将温度降到测试温度，并通入高纯度的二氧化碳气体，气流速度为60ml/min,在105℃下停留90分钟后测试结束，测试结果列于下表中：
50％BPEI/600-silica的二氧化碳吸附容量测试结果
吸附测试例3：利用同步热重分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1)对样品60％BPEI/600-silica进行二氧化碳吸附容量的测试，对该材料在45℃、60℃、75℃、90℃及105℃下的二氧化碳的吸附容量进行了测试。首先将10mg左右的吸附材料放置于150ul氧化铝坩埚中并精确称量样品重量后将其放入热重分析仪炉体内，在20ml/min的N2气流速度将样品从30℃升高至120℃，在120℃下停留30分钟。然后将温度降到测试温度，并通入高纯度的二氧化 碳气体，气流速度为60ml/min,在105℃下停留90分钟后测试结束，测试结果列于下表中：
60％BPEI/600-silica的二氧化碳吸附容量测试结果
吸附测试例4：利用同步热重分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1)对样品60％BPEI/1200-silica进行二氧化碳吸附容量的测试，对该材料在105℃下的二氧化碳的吸附容量进行了测试。首先将10mg左右的吸附材料放置于150ul氧化铝坩埚中并精确称量样品重量后将其放入热重分析仪炉体内，在20ml/min的N2气流速度将样品从30℃升高至120℃,在120℃下停留30分钟。然后将温度降到测试温度，并通入高纯度的二氧化碳气体，气流速度为60ml/min,在105℃下停留90分钟后测试结束，测试结果列于下表中：
60％BPEI/1200-silica的二氧化碳吸附量测试结果
吸附测试例5：利用同步热重分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1)对样品60％BPEI/10000-silica进行二氧化碳吸附容量的测试，对该材料在105℃下的二氧化碳的吸附容量进行了测试。首先将10mg左右的吸附材料放置于150ul氧化铝坩埚中并精确称量样品重量后将其放入热重分析仪炉体内，在20ml/min的N2气流速度将样品从30℃升高至120℃,在120℃下停留30分钟。然后将温度降到测试温度，并通入高纯度的二氧化碳气体，气流速度为60ml/min,在105℃下停留90分钟后测试结束，测试结果列于下表中：
60％BPEI/10000-silica的二氧化碳吸附量测试结果
吸附测试例6：利用同步热重分析仪(Mettler Toledo TGA/DSC1)对样品 60％BPEI/1200-silica进行二氧化碳吸附容量的测试，对该材料在105℃下的二氧化碳的吸附容量进行了测试。首先将10mg左右的吸附材料放置于150ul氧化铝坩埚中并精确称量样品重量后将其放入热重分析仪炉体内，在20ml/min的N2气流速度将样品从30℃升高至120℃,在120℃下停留30分钟。然后将温度降到测试温度，并通入高纯度的二氧化碳气体，气流速度为60ml/min,在105℃下停留90分钟后测试结束，测试结果列于下表中：
60％LPEI/2500-silica的二氧化碳吸附量测试结果
二氧化碳循环吸附稳定性测试
循环吸附稳定性测试例1：利用热重分析***(TA Instrument Q500,U.S.)对样品60％BPEI/600-silica进行了30次的循环吸附解吸测试。将大于10mg的样品置于氧化铝坩埚中，从30℃开始以10℃/min的升温速率升温到120℃，并在120℃下恒温30分钟。待脱气完成后，进入循环程序，将温度降到105℃并通入高纯度CO2气体，停留30min。然后将气体由CO2切换成高纯度N2，并升温到120℃下停留30min，该循环过程重复30次。测试结果列于下表中：
60％BPEI/600-silica的二氧化碳吸附量测试结果
循环吸附稳定性测试例2：利用热重分析***(TA Instrument Q500,U.S.)对样品60％BPEI/1200-silica进行了30次的循环吸附解吸测试。将大于10mg的样品置于氧化铝坩埚中，从30℃开始以10℃/min的升温速率升温到120℃， 并在120℃下恒温30分钟。待脱气完成后，进入循环程序，将温度降到105℃并通入高纯度CO2气体，停留30min。然后将气体由CO2切换成高纯度N2，并升温到120℃下停留30min，该循环过程重复30次。测试结果列于下表中：
60％BPEI/1200-silica的二氧化碳吸附量测试结果
循环吸附稳定性测试例3：利用热重分析***(TA Instrument Q500,U.S.)对样品60％BPEI/10000-silica进行了30次的循环吸附解吸测试。将大于10mg的样品置于氧化铝坩埚中，从30℃开始以10℃/min的升温速率升温到120℃，并在120℃下恒温30分钟。待脱气完成后，进入循环程序，将温度降到105℃并通入高纯度CO2气体，停留30min。然后将气体由CO2切换成高纯度N2，并升温到120℃下停留30min，该循环过程重复30次。测试结果列于下表中：
60％BPEI/10000-silica的二氧化碳吸附量测试结果
循环吸附稳定性测试例4：利用热重分析***(TA Instrument Q500,U.S.)对样品60％LPEI/2500-silica进行了30次的循环吸附解吸测试。将大于10mg的样品置于氧化铝坩埚中，从30℃开始以10℃/min的升温速率升温到120℃， 并在120℃下恒温30分钟。待脱气完成后，进入循环程序，将温度降到105℃并通入高纯度CO2气体，停留30min。然后将气体由CO2切换成高纯度N2，并升温到120℃下停留30min，该循环过程重复30次。测试结果列于下表中：
60％LPEI/2500-silica的二氧化碳吸附量测试结果
Claims (10)
1.一种基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：首先在烧杯中加入一定量的聚乙烯亚胺
(Polyethyleneimine，简称PEI)，接着加入25ml的甲醇，在室温下搅拌使PEI完全溶解，再加入2g纳米二氧化硅和5ml甲醇；然后在室温下搅拌直至待烧杯中的液体变成粘稠状，将其放入50℃的烘箱中烘干2个小时，然后再在真空干燥箱中50℃下干燥2个小时。
2.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺的称取量为0.86～3.91g；聚乙烯亚胺为分子量600Da、1200Da或10000Da的分枝状聚乙烯亚胺，或者为分子量2500Da的线性聚乙烯亚胺。
3.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，在室温下搅拌5个小时使得烧杯中的液体变成粘稠状。
4.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述纳米二氧化硅预先在105℃下真空干燥3个小时，所述二氧化硅为沉淀法纳米二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺为0.86g的分子量为600Da的分枝状PEI，所得吸附材料的PEI的负载量为30％。
6.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺为2.26g的分子量为600Da的分枝状PEI，所得吸附材料的PEI的负载量为50％。
7.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺为3.88g的分子量为600Da的分枝状PEI，所得吸附材料的PEI的负载量为60％。
8.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺为3.91g的分子量为1200Da的分枝状PEI，所得吸附材料的PEI的负载量为60％。
9.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺为3.91g的分子量为10000Da的分枝状PEI，所得吸附材料的PEI的负载量为60％。
10.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅浸渍制备固态胺CO2吸附材料的方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺为2.05g的分子量为2500Da的线性PEI，所得吸附材料的PEI的负载量为60％。
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