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CN113680334A - 一种二氧化碳吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种二氧化碳吸附剂及其制备方法和应用 Download PDF

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CN113680334A CN202111077328.XA CN202111077328A CN113680334A CN 113680334 A CN113680334 A CN 113680334A CN 202111077328 A CN202111077328 A CN 202111077328A CN 113680334 A CN113680334 A CN 113680334A
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Abstract

本发明公开一种二氧化碳吸附剂,包括吸附剂载体以及吸附剂载体上附着的酸根离子;吸附剂载体由以下原料制备而成:天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯;其中,天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1~5:1~5:3~7:60~600。该一种二氧化碳吸附剂,解决了现有吸附剂捕集二氧化碳能耗高及效率差的问题。还公开了一种二氧化碳吸附剂的制备方法及其应用。

Description

一种二氧化碳吸附剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环境工程技术领域,具体涉及一种二氧化碳吸附剂,还涉及该种二氧化碳吸附剂的制备方法和应用。
背景技术
全球变暖是一个日益严重的问题,国际气候变化组织(Intergovernmental Panelon Climate Change)指出在本世纪末,要维持空气中二氧化碳的浓度低于450ppm。传统化石燃料的使用仍然占据总能源使用量的80%。所以,从电厂,水泥厂以及其他二氧化碳排放源,捕集二氧化碳迫在眉睫。工厂排放的二氧化碳量只有总二氧化碳排放量的二分之一,剩余的二氧化碳由汽车,飞机和小型设备排放出。所以从低浓度的空气中捕集二氧化碳技术是必要的。
然而,当今空气捕集二氧化碳的技术才刚刚开始。Baciocchi和Keith的空气捕集二氧化碳的技术使用NaOH去吸收空气中的二氧化碳能耗太大,679kJ/mol,捕集二氧化碳消耗的能量相当于燃烧煤中含有能量的两倍,而且在再生过程中需要加热耗能。CarbonEngineering利用该技术在加拿大成立了一家空气捕捉二氧化碳的公司。Climateworks是世界上第一个商业化的空气直接捕捉二氧化碳工厂,但是也存在使用高温100多摄氏度来再生吸附材料的问题。因此,研发一种吸附剂,再生的时候不需要消耗大量热能,而且要与空气有大量的接触面积从而提高材料的吸附效率,这是极其关键的地方。与此同时,如何利用从空气中捕捉回来的二氧化碳,再对环境方面有着至关重要的保护同时,也有着巨大的商业前景。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种二氧化碳吸附剂,解决了现有吸附剂捕集二氧化碳能耗高及效率差的问题。
本发明的第二个目的是提供一种二氧化碳吸附剂的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种二氧化碳吸附剂的应用。
本发明所采用的第一种技术方案是,一种二氧化碳吸附剂,包括吸附剂载体以及吸附剂载体上附着的酸根离子;
吸附剂载体由以下原料制备而成:天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯;其中,天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1~5:1~5:3~7:60~600。
本发明的特征还在于,
酸根离子为碳酸根离子、亚硫酸根离子、硫酸根离子或磷酸根离子。
天然生物材料为纤维素、酪蛋白、角蛋白或胶原蛋白;所述共价有机骨架材料为阴离子交换共价有机框架;共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径大小为:1微米-1000微米。
本发明所采用的第二种技术方案是,一种二氧化碳吸附剂的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1、将天然生物材料在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤3、将步骤1处理后的天然生物材料、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过浸涂法、旋转涂膜法或研压法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到蒸馏水中进行固形处理;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到酸根碱性盐离子溶液中充分浸泡,反复将纳米复合材料洗涤多次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得。
本发明的特征还在于,
步骤1中,天然生物材料为纤维素、酪蛋白、角蛋白或胶原蛋白;步骤1中,筛网网孔的规格为10微米~1000微米;
步骤2中,聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:10~1:30;机械搅拌时间为5小时~12小时;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径为:1微米~1000微米;机械搅拌的时间为:30分钟~120分钟;天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1~5:1~5:3~7:60~600。
步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为10微米~1000微米;
步骤5中,干燥温度为:25℃~60℃;干燥时间为:30分钟~120分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:30℃~90℃,固形时间为12小时~72小时。
步骤6中,酸根碱性盐离子溶液的浓度为:0.1~1.5M;浸泡时间为1小时~12小时;洗涤次数为4~5次;烘干温度为:20℃~50℃;烘干时间为:1小时~2小时;
酸根碱性盐离子溶液为碳酸钠溶液、磷酸钠溶液、亚硫酸钠溶液、硫酸钠溶液、碳酸钾溶液、磷酸钾溶液、亚硫酸钾溶液及硫酸钾溶液中的一种。
本发明所采用的第三种技术方案是,上述二氧化碳吸附剂在捕集二氧化碳中的应用。
本发明的有益效果是:本发明的一种二氧化碳吸附剂可以用其高载荷量的优势净化空气中的二氧化碳。该功能复合材料对环境友好,是有机天然无害的生物材料和传统的无机聚合物材料。其吸附二氧化碳的过程不需要耗大量能量即可实现吸附和解吸附的过程。其成本低廉,具有广泛适用性;与现有吸附剂相比,大大提高了吸附效率,预估其能耗成本是现有吸附剂的1/10。本发明二氧化碳吸附剂广泛应用在农作物大棚里农作物养殖、水泥养护、家用空气净化、天然气中二氧化碳除杂及鲜花水果运输保险等领域。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的二氧化碳吸附剂的SEM微观图;
图2是本发明实施例1制备的二氧化碳吸附剂捕集二氧化碳的吸附释放循环图;
图3是本发明实施例1制备的二氧化碳吸附剂的CO2吸附速度和吸附量与其他二氧化碳吸附剂的对比图;
图4是本发明实施例1制备的二氧化碳吸附剂的降解率随吸放次数的变化。
图5是本发明一种二氧化碳吸附剂所使用的二氧化碳吸附剂性能测试装置的结构示意图;
图6是实施例1制备的二氧化碳吸附剂在不同温度下的等温吸附曲线。
图中,1.泵,2.二氧化碳检测仪,3.湿度检测仪,4.样本箱,5.湿度控制器,6.温度控制器,7.PID控制器,8.波动控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种二氧化碳吸附剂,包括吸附剂载体以及吸附剂载体上附着的酸根离子;
吸附剂载体由以下原料制备而成:天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯;其中,天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1~5:1~5:3~7:60~600。
酸根离子为碳酸根离子、亚硫酸根离子、硫酸根离子或磷酸根离子。
天然生物材料为纤维素、酪蛋白、角蛋白或胶原蛋白;共价有机骨架材料为阴离子交换共价有机框架材料;共价有机骨架材料为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径大小为:1微米-1000微米。
共价有机骨架材料为一类阴离子交换共价有机骨架材料;共价有机骨架材料是由轻元素(氢,硼,碳,氮,氧)通过强共价键组成的多孔的晶体结构,并在聚苯乙烯骨架上附着季铵阳离子的材料,其上的库仑力吸附的阴离子可以用来置换;阴离子为碳酸根阴离子、磷酸根阴离子或氢氧根阴离子;
本发明还提供上述一种二氧化碳吸附剂的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1、将天然生物材料在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤1中,天然生物材料为纤维素、酪蛋白、角蛋白或胶原蛋白;步骤1中,筛网网孔的规格为10微米~1000微米;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤2中,聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:10~1:30;机械搅拌时间为5小时~12小时;
步骤3、将步骤1处理后的天然生物材料、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径为:1微米~1000微米;机械搅拌的时间为:30分钟~120分钟;天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1~5:1~5:3~7:60~600;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过浸涂法、旋转涂膜法或研压法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为10微米~1000微米;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到蒸馏水中进行固形处理;
步骤5中,干燥温度为:25℃~60℃;干燥时间为:30分钟~120分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:30℃~90℃,固形时间为12小时~72小时;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到酸根碱性盐离子溶液中充分浸泡,反复将纳米复合材料洗涤多次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用大量的去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得;
步骤6中,酸根碱性盐离子溶液的浓度为:0.1~1.5M;浸泡时间为1小时~12小时;洗涤次数为4~5次;烘干温度为:20℃~50℃;烘干时间为:1小时~2小时;酸根碱性盐离子溶液为碳酸钠溶液、磷酸钠溶液、亚硫酸钠溶液、硫酸钠溶液、碳酸钾溶液、磷酸钾溶液、亚硫酸钾溶液及硫酸钾溶液中的一种。
本发明还提供上述二氧化碳吸附剂在捕集二氧化碳中的应用。
实施例1
一种二氧化碳吸附剂的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1、将纤维素在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤1中,筛网网孔的规格为10微米;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤2中,机械搅拌时间为5小时;聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:10;
步骤3、将步骤1处理后的纤维素、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径大小为:1微米;机械搅拌的时间为:30分钟;纤维素、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1:1:3:60;
步骤3中,共价有机骨架材料为类沸石结构COF-102共价有机骨架材料;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过旋转涂膜法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为10微米;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到一定温度的蒸馏水中进行固形处理;
步骤5中,干燥温度为:25℃;干燥时间为:120分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:30℃,固形时间为72小时;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到浓度为0.1M的碳酸钠溶液中充分浸泡1小时,反复将纳米复合材料洗涤4次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用大量的去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得;
步骤6中,烘干温度为:20℃;烘干时间为:2小时。
实施例2
一种二氧化碳吸附剂的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1、将酪蛋白在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤1中,筛网网孔的规格为1000微米;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤2中,机械搅拌时间为12小时;聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:30;
步骤3、将步骤1处理后的酪蛋白、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:200纳米;活性炭的粒径为:1000微米;机械搅拌的时间为:120分钟;酪蛋白、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:5:5:7:600;
步骤3中,共价有机骨架材料为类沸石结构COF-1共价有机骨架材料;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过浸涂法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为1000微米;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到一定温度的蒸馏水中进行固形处理;
步骤5中,干燥温度为:60℃;干燥时间为:30分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:90℃,固形时间为12小时;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到浓度为1.5M的磷酸钠溶液中充分浸泡12小时,反复将纳米复合材料洗涤5次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用大量的去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得;
步骤6中,烘干温度为:50℃;烘干时间为:1小时。
实施例3
一种二氧化碳吸附剂的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1、将角蛋白在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤1中,筛网网孔的规格为500微米;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤2中,机械搅拌时间为8小时;聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:20;
步骤3、将步骤1处理后的角蛋白、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径为:500微米;机械搅拌的时间为:100分钟;角蛋白、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:2:2:1.5:4:200。
步骤3中,共价有机骨架材料为COF-300共价有机骨架材料;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过研压法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为500微米;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到一定温度的蒸馏水中进行固形处理;
步骤5中,干燥温度为:40℃;干燥时间为:100分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:60℃,固形时间为30小时;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到浓度为1M的亚硫酸钠溶液中充分浸泡8小时,反复将纳米复合材料洗涤5次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用大量的去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得;
步骤6中,烘干温度为:40℃;烘干时间为:1.5小时。
实施例4
一种二氧化碳吸附剂的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1、将胶原蛋白在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤1中,筛网网孔的规格为600微米;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤2中,机械搅拌时间为10小时;聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:15;
步骤3、将步骤1处理后的胶原蛋白、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~50纳米;活性炭的粒径为:600微米;机械搅拌的时间为:90分钟;胶原蛋白、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:3:2:4:200。
步骤3中,共价有机骨架材料为COF-300共价有机骨架材料;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过旋转涂膜法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为600微米;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到一定温度的蒸馏水中进行固形处理;
步骤5中,干燥温度为:40℃;干燥时间为:60分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:80℃,固形时间为60小时;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到浓度为0.5M的硫酸钠溶液中充分浸泡5小时,反复将纳米复合材料洗涤4次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用大量的去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得;
步骤6中,;烘干温度为:40℃;烘干时间为:1.5小时。
实施例5
一种二氧化碳吸附剂的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1、将纤维素在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤1中,筛网网孔的规格为100微米;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤2中,机械搅拌时间为6小时;聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:15;
步骤3、将步骤1处理后的纤维素、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~20纳米;活性炭的粒径为:100微米;机械搅拌的时间为:70分钟;纤维素、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1:1:3:60;
步骤3中,共价有机骨架材料为COF-TPDA共价有机骨架材料薄膜;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过浸涂法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为200微米;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到一定温度的蒸馏水中进行固形处理;
步骤5中,干燥温度为:50℃;干燥时间为:80分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:65℃,固形时间为50小时;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到浓度为1.2M的碳酸钾溶液中充分浸泡5小时,反复将纳米复合材料洗涤5次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用大量的去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得;
步骤6中,烘干温度为:40℃;烘干时间为:1.5小时。
图1为实施例1制备得到的二氧化碳吸附剂的微观形貌图,从图1中看出,吸附剂形态为纤维状,纤维的直径小于1微米。
图2展示了实施例1制备得到的二氧化碳吸附剂在不同湿度情况下的吸收释放CO2的情况。图2中,横坐标是时间,左边的Y轴是湿度,右边的Y轴是二氧化碳浓度。二氧化碳的浓度随湿度的变化由三角指出,湿度随时间的变化由实线表示。当空气中水分子数为15露点时,二氧化碳在空气中的浓度很高达到1300PPM;当空气中的水分子数为1露点时,二氧化碳吸附剂开始吸附二氧化碳从而二氧化碳浓度减低到300PPM。由此可以可知,本实施例的二氧化碳吸附剂可以在干燥的空气中吸附二氧化碳,在潮湿的环境中释放二氧化碳,该二氧化碳吸附剂是可以循环再生的,吸收和释放二氧化碳可以通过调节空气中的水分子的多少来进行控制。
图3为在空气湿度为5露点的条件下,本发明实施例1制备得到的二氧化碳吸附剂和其他二氧化碳吸附剂(即超支化氨基吸附剂【1】、二氧化硅吸附剂【2】以及沸石)的吸附量和吸附速率的对比结果图;
图3中,横坐标是吸附剂的吸附量,纵坐标是吸附剂的吸附速率;本实施例1制备得到的二氧化碳吸附剂由黑色正方形表示;本发明的二氧化碳吸附剂的吸附量在5露点湿度条件下时为4.1mmol/g,吸附时间大约15-18分钟;其他二氧化碳吸附剂的吸附量在1.0mmol/g到2.3mmol/g之间,吸附时间在30分钟到330分钟之间。由图3可以看出,本发明的二氧化碳吸附剂的吸附量大于其他二氧化碳吸附剂,大约是其他吸附剂吸附量的1.8-20倍;吸附速度快于其他二氧化碳吸附剂,是其他吸附剂吸附速度的大约2-20倍。
图4展示了本发明二氧化碳吸附剂良好的稳定性。二氧化碳吸附剂每次完全的吸附和释放为一个循环。将二氧化碳吸附剂充分加湿和干燥为一个循环,我们测试了100个循环,二氧化碳吸附剂的总的降解率下降为14%,在35次循环之后,吸附剂的降解率基本不变,吸收性能达到稳态。
图5为测试本发明二氧化碳吸附剂性能的吸附剂性能测试装置的结构示意图。该吸附剂性能测试装置包括依次连接的泵1、二氧化碳检测仪2(型号为:LI-COR 610-785)、湿度检测仪3(型号为:LI-COR 610-785)、样本箱4及湿度控制器5(型号为:LI-COR 610-785),湿度控制器5与泵1连接;湿度控制器5上连接有温度控制器6(型号为:精创STC-9100),温度控制器6上连接有PID控制器7,PID控制器7上连接有波动控制器8,PID控制器7还与湿度检测仪3连接;通过使用该试验装置,可以测试本发明吸附剂的吸附量和吸附速度。波动控制器8用来提供正负电压;PID控制器7用来控制波动控制器8的电压输出;温度控制器6用来控制测试装置闭合回路中的温度;湿度控制器5用来调节试验装置闭合回路中的湿度高低;泵1用来控制试验装置闭合回路中的气流循环速度;样本箱4用来放置不同的二氧化碳吸附剂及样本;二氧化碳检测仪2用来检测实验装置闭回路中二氧化碳的浓度高低;湿度检测仪3用来检测试验装置闭合回路中湿度的高低。将二氧化碳吸附剂放入样本箱4后,将湿度设置在在露点温度5摄氏度和15摄氏度之间变化,并记录下两个湿度下,二氧化碳稳定时候的值。
图6通过吸附等温曲线,来推测本吸附剂的能耗。图6横坐标为二氧化碳在吸附剂上方的分压力。纵坐标为吸附剂的二氧化碳吸附率。分别测试了24℃,28℃,32℃温度下的数据点。通过朗缪尔模型拟合数据点,可以得出K值:
Figure BDA0003261501370000151
这里,θ是二氧化碳吸附率,K是平衡常数,P是平衡状态时二氧化碳的分压力。对于理想气体反应,平衡常数和温度,与自由能变化的关系如下:
-ΔG0=RTln K,
该方程可以进一步表示为:
Figure BDA0003261501370000152
ΔGo,ΔHo及ΔSo分别是自由能变,焓变和熵变。R是理想气体常数8.314J/(mol·K),T是温度。通过曲线拟合的方式,本发明的二氧化碳吸附剂得到在室温条件下24摄氏度的焓变为30kJ/mol,即该吸附剂的能耗。基于钙和钠的二氧化碳吸附剂的能耗分别为179kJ/mol【3】和135kJ/mol【4】。基于胺的二氧化碳吸附剂的能耗大约为80kJ/mol【5】,由此可以看出本发明的二氧化碳吸附剂远远低于其他二氧化碳吸附剂。
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Claims (10)

1.一种二氧化碳吸附剂,其特征在于,包括吸附剂载体以及吸附剂载体上附着的酸根离子;
所述吸附剂载体由以下原料制备而成:天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯;其中,天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1~5:1~5:3~7:60~600。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳吸附剂,其特征在于,所述酸根离子为碳酸根离子、亚硫酸根离子、硫酸根离子或磷酸根离子。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳吸附剂,其特征在于,所述天然生物材料为纤维素、酪蛋白、角蛋白或胶原蛋白;所述共价有机骨架材料为阴离子交换共价有机框架;共价有机骨架材料为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径大小为:1微米-1000微米。
4.根据权利要求3所述的一种二氧化碳吸附剂,其特征在于,所述共价有机骨架材料为所有阴离子交换共价有机框架材料。
5.一种二氧化碳吸附剂的制备方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1、将天然生物材料在球磨机中研磨至粉末状,然后过筛;
步骤2、将聚氯乙烯与四氢呋喃在反应器中进行混合,然后进行机械搅拌;
步骤3、将步骤1处理后的天然生物材料、共价有机骨架材料及活性炭添加到步骤2得到的聚氯乙烯与四氢呋喃的混合物中,在室温下机械搅拌,使各混合物混合均匀;
步骤4、将步骤3得到的混合物通过浸涂法、旋转涂膜法或研压法涂覆在干燥的玻璃板上制备得到纳米功能复合材料;
步骤5、将步骤4得到纳米复合材料进行干燥处理,将干燥处理后的纳米复合材料浸入到蒸馏水中进行固形处理;
步骤6、将步骤5得到的固形后的纳米复合材料浸入到酸根碱性盐离子溶液中充分浸泡,反复将纳米复合材料洗涤多次,使得纳米功能复合材料完全负载饱和;然后用去离子水冲洗纳米复合材料,用烘干箱烘干,烘干后放置即得。
6.根据权利要求5所述的一种二氧化碳吸附剂的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述天然生物材料为纤维素、酪蛋白、角蛋白或胶原蛋白;步骤1中,筛网网孔的规格为10微米~1000微米;
步骤2中,所述聚氯乙烯和四氢呋喃的质量比为1:10~1:30;机械搅拌时间为5小时~12小时;
步骤3中,共价有机骨架材料的粒径大小为:10纳米~500纳米;活性炭的粒径为:1微米~1000微米;机械搅拌的时间为:30分钟~120分钟;天然生物材料、共价有机骨架材料、活性炭及聚氯乙烯的质量比为:1~5:1~5:3~7:60~600。
7.根据权利要求6所述的一种二氧化碳吸附剂的制备方法,其特征在于,所述共价有机骨架材料为所有阴离子交换共价有机框架。
8.根据权利要求5所述的一种二氧化碳吸附剂的制备方法,其特征在于,步骤4中,制备的纳米复合材料的厚度为10微米~1000微米;
步骤5中,干燥温度为:25℃~60℃;干燥时间为:30分钟~120分钟;固形处理的工艺条件为:所用蒸馏水的温度为:30℃~90℃,固形时间为12小时~72小时。
9.根据权利要求5所述的一种二氧化碳吸附剂的制备方法,其特征在于,步骤6中,所述酸根碱性盐离子溶液的浓度为:0.1~1.5M;浸泡时间为1小时~12小时;洗涤次数为4~5次;烘干温度为:20℃~50℃;烘干时间为:1小时~2小时;
所述酸根碱性盐离子溶液为碳酸钠溶液、磷酸钠溶液、亚硫酸钠溶液、硫酸钠溶液、碳酸钾溶液、磷酸钾溶液、亚硫酸钾溶液及硫酸钾溶液中的一种。
10.一种权利要求1-4任意一项所述的二氧化碳吸附剂在捕集二氧化碳中的应用。
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