碳酸铯改性层状双氢氧化物/介孔氧化铝复合材料作为co2吸附剂的制备方法和应用
阅读说明：本技术 碳酸铯改性层状双氢氧化物/介孔氧化铝复合材料作为co2吸附剂的制备方法和应用 (Cesium carbonate modified layered double hydroxide/mesoporous alumina composite material as CO2Preparation method and application of adsorbent ) 是由 叶青 吴凯 王兰洋 孟繁伟 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了碳酸铯改性层状双氢氧化物/介孔氧化铝复合材料作为CO-(2)吸附剂的制备方法和应用。首先用原位法将层状双氢氧化物(LDH)沉积在介孔氧化铝(OMA)上组成的LDH-OMA复合材料,然后通过浸渍法将Cs-(2)CO-(3)负载于上述复合材料上,得到碳酸铯改性层状双氢氧化物/介孔氧化铝(Cs-(2)CO-(3)/LDH-OMA)复合材料作为低温CO-(2)吸附剂。本发明在宽的温度(25℃～200℃)范围内,对CO-(2)(浓度为5vol.％～25vol.％)和N-(2)(浓度为75vol.％～95vol.％)的混合气体具有较高的吸附能力,本发明吸附剂具有较高的比表面积和较好的热稳定性。(The invention provides a cesium carbonate modified layered double hydroxide/mesoporous alumina composite material as CO 2 A preparation method and application of the adsorbent. Firstly, depositing Layered Double Hydroxide (LDH) On Mesoporous Alumina (OMA) by in-situ method to form LDH-OMA composite material, and then soaking Cs by impregnation method 2 CO 3 Loading on the composite material to obtain cesium carbonate modified layered double hydroxide (DBM)Mesoporous alumina (Cs) 2 CO 3 /LDH-OMA) composite materials as low-temperature CO 2 An adsorbent. The invention can treat CO in a wide temperature range (25-200 ℃), and 2 (concentration of 5 vol.% to 25 vol.%) and N 2 The mixed gas (with the concentration of 75 vol.% to 95 vol.%) has high adsorption capacity, and the adsorbent has high specific surface area and good thermal stability.)
技术领域
本发明涉及一种用于吸附二氧化碳的Cs2CO3改性层状双氢氧化物/介孔氧化铝复合吸附剂的制备方法及其在高温条件下吸附CO2的应用。
背景技术
近些年来，环境和能源的问题引起了全世界的关注。虽然很多国家都在开发和使用更多非化石燃料的能源，但是现在主要的能源还是来自于化石燃料的供应。因此，为了减少化石燃料对环境的影响，人们需要合理的规划和使用化石燃料。化石燃料燃烧产生的二氧化碳作为最主要的温室气体之一，也是引起全球变暖的最主要原因之一。所以如何控制二氧化碳的排放，降低大气中的二氧化碳浓度，减缓全球变暖，营造一个绿色环保的家园是我们的任务和目标。在不同的排放源中，火力发电厂是世界上最主要的二氧化碳排放源之一，每年发电厂都会排放约20亿吨的二氧化碳。在过去几十年里，全球二氧化碳的排放量迅速增加，尤其是我国为代表的发展中国家近些年二氧化碳的排放量飞速增长。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告，到2100年大气中的二氧化碳可能会达到570ppm，进而会导致全球平均温度上升约1.9℃，平均海平面上升3.8m。吸附法由于其能耗低、操作简单，具有广阔的应用前景，该方法的关键是选择合适的CO2吸附材料。而近年来随着新型固体吸附剂的研究，较低的再生能耗、低的环境成本且无设备腐蚀问题的固体吸附技术展现出了良好的应用前景。
有序介孔材料MCM-41、SBA-15和介孔氧化铝(OMA)由于其出色的高比表面积，可调节的孔径和有序的孔结构而引起了关注。水滑石，又称为层状双氢氧化物(LDH)。其通式为：LDH具有良好的吸附性能，并且具有良好的动力学和再生性能。在本专利中，使用高比表面积介孔材料OMA作为载体，将介孔材料OMA和层状吸附材料LDH结合起来制备一种新的复合材料LDH-OMA，高比表面积的OMA作为载体在孔道间和表面上沉积碱性位点丰富的LDH；同时，富含更丰富碱性位点的Cs2CO3通过浸渍法负载于LDH-OMA复合材料上。最终得到的Cs2CO3/LDH-OMA复合吸附剂有着较高的比表面积和丰富的碱性位点，该复合材料在适度的再生温度下具有很高的CO2吸附能力。本项目的实施得到：国家自然科学基金项目(编号：21277008；20777005)；北京自然科学基金(编号：8082008)；国家重点研发计划(No.2017YFC0209905)的资助，也是这些项目的研究内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cs2CO3改性层状双氢氧化物/OMA复合吸附剂的制备及其用于低温的CO2吸附。原位法将层状双氢氧化物(LDH)沉积在OMA上组成LDH-OMA复合材料，高比表面积的OMA作为载体在孔道间和表面上沉积碱性位点丰富的LDH；同时，富含更丰富碱性位点的Cs2CO3通过浸渍法负载于LDH-OMA复合材料上。最终得到的Cs2CO3/LDH-OMA复合吸附剂有着较高的比表面积和丰富的碱性位点，拥有着优异的CO2吸附容量和良好的再生性能。复合材料有着高比表面积为：300～425m2/g。所提供的吸附剂可在较低的反应温度(25℃～200℃)下，对CO2具有较高的吸附量。其中，5Cs2CO3/30LDH-OMA具有着最高的吸附容量(1.71mmol/g)，是未改性的SBA-15(1.01mmol/g)1.69倍。表征结果证明，复合材料吸附性能提高的关键因素是比表面积和碱性位点提高。
本发明提供一种用于低温CO2吸附的Cs2CO3改性层状双氢氧化物/OMA复合吸附剂复合吸附剂的制备方法：
(1)将一定量的OMA(0.5～2g)别溶解于100ml去离子水中，室温下搅拌0.5～3h，得到分散均匀的OMA悬浮液。将0.036mol/L的Mg(NO3)2·6H2O和0.012mol/L的Al(NO3)3·9H2O配成于50～200ml混合液，加入上述悬浮液中，随后加入一定量的0.6～2mol/L Na2CO3和1.2～4mol/L NaOH混合液，调节pH＝10±0.1。将上述混合液在50～80℃下水浴搅拌8～12h，随后抽滤洗涤至pH＝7，80～100℃烘箱中干燥，得到LDH-OMA。将(0.01～0.1g)Cs2CO3溶解于2～10ml乙醇中，接着加入1～5g上述LDH-OMA，将上述悬浮液搅拌2～10h，将其转移至60℃条件下真空烘干。获得的样品被称为xCs2CO3/yLDH-OMA，x是复合材料中Cs2CO3负载量的质量百分比，y为复合材料中LDH负载量的质量百分比。
(2)将上述一定量的吸附剂放置于热重仪器中，通入CO2(浓度为5vol.％～25vol.％)和N2(浓度为75vol.％～95vol.％)的混合气，对其进行吸附，通过质量变化检测吸附剂对CO2的附量，反应温度为25℃～200℃。在上述条件下本吸附剂具有较高的吸附容量(1.01～1.71mmol/g)。
附图说明
图1为本发明制备的OMA、20LDH-OMA、30LDH-OMA、40LDH-OMA、5Cs2CO3/30LDH-OMA吸附剂的XRD图。
图2为本发明制备的LDH、OMA、20LDH-OMA、30LDH-OMA、40LDH-OMA、5Cs2CO3/30LDH-OMA吸附剂的N2-吸附/脱附图。
图3为本发明制备的OMA、20LDH-OMA、30LDH-OMA、40LDH-OMA、5Cs2CO3/30LDH-OMA吸附剂在50℃吸附15％CO2混合气2小时的吸附图。
图4为本发明制备5Cs2CO3/30LDH-OMA吸附剂在50℃吸附15％CO2混合气10次吸脱附再生性能图。
具体实施方式
吸附剂一般取5-30mg做实验。
实施例1
(1)将一定量的OMA(0.5g)别溶解于100ml去离子水中，室温下搅拌0.5～3h，得到分散均匀的OMA悬浮液。将0.036mol/L的Mg(NO3)2·6H2O和0.012mol/L的Al(NO3)3·9H2O配成于100ml混合液，加入上述悬浮液中，随后加入一定量的0.6mol/L Na2CO3和1.2mol/LNaOH混合液，调节pH＝10±0.1。将上述混合液在50℃下水浴搅拌8h，随后抽滤洗涤至pH＝7，80℃烘箱中干燥，得到20LDH-OMA。将(0.01g)Cs2CO3溶解于2ml乙醇中，接着加入1g上述20LDH-OMA，将上述悬浮液搅拌3h，将其转移至60℃条件下真空烘干。获得的样品被称为1Cs2CO3/20LDH-OMA。
(2)将上述一定量的吸附剂(10mg)放置于热重仪器中，通入CO2(浓度为15vol.％)和N2(浓度为85vol.％)的混合气，对其进行吸附，通过质量变化检测吸附剂对CO2的附量，反应温度为50℃。
实施例2
(1)将一定量的OMA(1g)别溶解于100ml去离子水中，室温下搅拌1h，得到分散均匀的OMA悬浮液。将0.036mol/L的Mg(NO3)2·6H2O和0.012mol/L的Al(NO3)3·9H2O配成于100ml混合液，加入上述悬浮液中，随后加入一定量的1.2mol/L Na2CO3和2mol/L NaOH混合液，调节pH＝10±0.1。将上述混合液在60℃下水浴搅拌10h，随后抽滤洗涤至pH＝7，100℃烘箱中干燥，得到30LDH-OMA。将(0.03g)Cs2CO3溶解于4ml乙醇中，接着加入1g上述30LDH-OMA，将上述悬浮液搅拌4h，将其转移至60℃条件下真空烘干。获得的样品被称为3Cs2CO3/30LDH-OMA。
(2)将上述一定量的吸附剂(10mg)放置于热重仪器中，通入CO2(浓度为15vol.％)和N2(浓度为85vol.％)的混合气，对其进行吸附，通过质量变化检测吸附剂对CO2的附量，反应温度为50℃。
实施例3
(1)将一定量的OMA(1.5g)别溶解于100ml去离子水中，室温下搅拌2h，得到分散均匀的OMA悬浮液。将0.036mol/L的Mg(NO3)2·6H2O和0.012mol/L的Al(NO3)3·9H2O配成于100ml混合液，加入上述悬浮液中，随后加入一定量的1.5mol/L Na2CO3和3mol/L NaOH混合液，调节pH＝10±0.1。将上述混合液在70℃下水浴搅拌12h，随后抽滤洗涤至pH＝7，100℃烘箱中干燥，得到40LDH-OMA。将(0.05g)Cs2CO3溶解于6ml乙醇中，接着加入1g上述LDH-OMA，将上述悬浮液搅拌6h，将其转移至60℃条件下真空烘干。获得的样品被称为5Cs2CO3/40LDH-OMA。
(2)将上述一定量的吸附剂(10mg)放置于热重仪器中，通入CO2(浓度为15vol.％)和N2(浓度为85vol.％)的混合气，对其进行吸附，通过质量变化检测吸附剂对CO2的附量，反应温度为50℃。
实施例4
(1)将一定量的OMA(2g)别溶解于100ml去离子水中，室温下搅拌3h，得到分散均匀的OMA悬浮液。将0.036mol/L的Mg(NO3)2·6H2O和0.012mol/L的Al(NO3)3·9H2O配成于200ml混合液，加入上述悬浮液中，随后加入一定量的2mol/L Na2CO3和4mol/L NaOH混合液，调节pH＝10±0.1。将上述混合液在80℃下水浴搅拌12h，随后抽滤洗涤至pH＝7，100℃烘箱中干燥，得到50LDH-OMA。将(0.1g)Cs2CO3溶解于10ml乙醇中，接着加入1g上述50LDH-OMA，将上述悬浮液搅拌10h，将其转移至60℃条件下真空烘干。获得的样品被称为10Cs2CO3/50LDH-OMA。
(2)将上述一定量的吸附剂(10mg)放置于热重仪器中，通入CO2(浓度为15vol.％)和N2(浓度为85vol.％)的混合气，对其进行吸附，通过质量变化检测吸附剂对CO2的附量，反应温度为50℃。