基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂、制备方法及应用。所述整体结构吸附剂包括聚乙烯亚胺、硅溶胶和蜂窝陶瓷。所述制备方法首先将聚乙烯亚胺与硅溶胶混合，再采用浸涂的方式使固态胺粘附在蜂窝陶瓷的表面。所述结构吸附剂可在直接空气捕集、燃烧后捕集等不同场景的二氧化碳吸附分离中得到应用。使用该方法制得的结构吸附剂，具有气流压降小、传热传质性能好、机械强度高、结构易于调整、稳定性好、制作工艺简单、成本低等特点。由于制作过程不涉及固体粉末，因此也避免了粉体脱落和涂覆不均匀的问题，适合工业应用。

【技术实现步骤摘要】
基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂、制备方法及应用
本专利技术涉及一种用于CO2吸附的基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂，特别涉及一种用于CO2吸附的浸涂型整体结构吸附剂的制备方法，属于化学工程和环境保护领域。
技术介绍
碳捕集技术作为缓解与二氧化碳排放增加引起的气候变化的一种方式，正逐渐受到人们的重视。由于胺基可以与二氧化碳发生化学反应，使用固态胺材料进行二氧化碳捕集已得到广泛的研究。许多多孔材料，包括二氧化硅、氧化铝、活性炭、有机金属框架材料(metalorganicframeworks,MOFs)被用作固态胺材料的载体。它们在不同的场景中表现出了优异的性能，包括燃烧后捕集(CO2体积分数为5％～30％)、密闭空间脱碳(CO2体积分数为0.1％～0.3％)、直接空气捕集(CO2体积分数为0.04％)等。然而目前多数二氧化碳吸附剂都以粉末或颗粒的形式制备，在实际的工业应用中有诸多不便。当它们被紧密填充在固定床中时，会对气流产生较大的阻力，从而提高风机能耗，尤其是在需要通入较大处理气流量的低CO2浓度场景中。此外，填充的粉末状吸附剂往往拥有较差的传热和传质性能，这不利于变温吸附工艺吸附/再生循环的进行，并且可能会对吸附速率带来影响。使用结构化的吸附剂可以有效地减小气流压降，提高传热传质性能，便于吸附剂的工业应用。参考目前国内外的文献，主要通过三种方式制备结构吸附剂：3D打印法、挤压法和浸涂法。3D打印法预先建立结构模型，通过逐层打印的方式，将吸附剂与粘合剂混合而成的物料制作成具有三维结构的吸附剂。该过程的结构设计较自由，不需要额外的材料切削和去除。挤压法将吸附剂和粘合剂混合得到泥坯，再施加压力，利用模具将泥坯压成结构吸附剂。优势在于成品强度高、稳定性好。浸涂法将商业化的蜂窝陶瓷浸入预先配制的浆料中，经过吹扫、干燥后，吸附剂粘附于蜂窝陶瓷表面从而制成整体式的结构吸附剂。相比于前两种结构吸附剂的制备方法，该方法的制备流程较简单，成本较低，易于工业放大。而如果使用粉末状的吸附剂与粘合剂配成浆料，可能带来固体脱落，吸附剂分布不均匀等问题。结构吸附剂的大规模应用需要综合考虑制作方法的成本、工艺复杂度、产品吸附性能、使用寿命等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂、制备方法及应用。该方法通过将聚乙烯亚胺与液态硅溶胶混合，在硅溶胶所含的分子级别的胶体SiO2上搭载胺基。接着，利用硅溶胶具有的粘性，通过浸涂的方式将胺功能化的硅溶胶涂覆于蜂窝陶瓷的表面，再经过吹扫、干燥后，制得整体式的结构吸附剂。该吸附剂可以用于不同场景的CO2捕集分离，具有气流压降小、传热传质性能好、机械强度大、稳定性高、制作工艺简单、成本低等优点。由于制作过程不涉及固体粉末，因此也避免了粉体脱落和涂覆不均匀的问题，适合工业应用。本专利技术与现有的胺功能化二氧化硅吸附剂的专利及论文成果报道，区别在于：(1)本专利技术中，胺的载体为液态的硅溶胶，因此可以方便地将胺功能化的硅溶胶与具有一定结构的蜂窝陶瓷结合，具有很高的灵活性。(2)不同于颗粒或粉末状的吸附剂，本专利技术涉及的结构吸附剂由于本身具有一定的结构和机械强度，可以不依赖于固定床或流化床，直接作为吸附装置的部件应用在捕集系统中。(3)本专利技术的制作方法为浸涂法，相比于3D打印和挤压成型法，工艺更简便，成本较低，容易实现大规模应用。为了实现上述目的，本专利技术通过以下几个方面实现：第一方面，本专利技术提出了一种基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂，所述整体结构吸附剂包括聚乙烯亚胺、硅溶胶和蜂窝陶瓷；当聚乙烯亚胺的质量为x，硅溶胶所含SiO2的质量为y时，聚乙烯亚胺的质量分数w为30％～90％，其中w＝x/(x+y)。优选地，所述蜂窝陶瓷的材质选自堇青石、莫来石、钛酸铝、碳化硅、氧化锆、氮化硅、陶瓷纤维及堇青石-莫来石复合基质以及堇青石-钛酸铝复合基质中的一种或多种。优选地，所述硅溶胶所含SiO2的质量分数为20％～60％。优选地，所述聚乙烯亚胺为支链型或直链型，分子量为300～70000。更为优选地，所述聚乙烯亚胺的纯度为99％，结构为支链型，分子量为600。需要说明的是，本案中，分子量是指数均相对分子量。优选地，所述整体结构吸附剂在吸附CO2气体时，吸附温度为10～85℃，脱附温度为90～150℃；所述吸附剂用于CO2气体吸附的吸附气中CO2的体积分数为0.04％～100％。第二方面，本专利技术提出了一种制备上述的整体结构吸附剂的制备方法，其包括以下步骤：步骤S1：将聚乙烯亚胺、硅溶胶在常温下于溶液中混合并搅拌均匀，获得浸泡液；步骤S2：将蜂窝陶瓷放入步骤S1获得的浸泡液中使其被完全浸没，静置12-36h；步骤S3：将静置后的蜂窝陶瓷取出，在70-90℃下真空干燥，获得最终的整体结构吸附剂。优选地，在所述步骤S1中，所述溶液为去离子水。优选地，在所述步骤S1中，所述加入溶液的体积与硅溶胶的质量比为1:1。优选地，在所述步骤S3中，干燥时间为12-24小时。第三方面，本专利技术还提出了一种上述的基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂的应用，所述整体结构吸附剂用于吸附CO2气体。与现有技术相比，本专利技术具有如下所述的优点以及有益效果：(1)通过浸涂的方式使固态胺粘附在蜂窝陶瓷上，由于不涉及粉末或颗粒，固态胺能均匀、稳定地与蜂窝陶瓷结合，结构吸附剂机械强度高，使用寿命长。(2)相比于固定床吸附装置，结构吸附剂具有气流压降小、传热传质性能好的优点，因此能有效降低能耗。(3)由于固态胺的化学吸附机理，结构吸附剂对CO2有较高的吸附选择性，水蒸气的存在不仅不会破坏吸附剂结构，反而能增大吸附容量，抑制胺的降解。(4)结构吸附剂的形状和尺寸可根据需要进行调整，可灵活地应用到不同场景。(5)制作方法简单，成本较低，易于工业放大。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为一种基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂的制作流程；图2为一种基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂的样品照片；图3为聚乙烯亚胺质量分数w为80％的样品的傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)测试结果；图4为聚乙烯亚胺质量分数w为50％的样品的热失重分析(TGA)测试结果；图5为聚乙烯亚胺质量分数w为40％、50％、60％和70％的压缩机械强度测试结果；图6为实施样品与对比样品的氮元素质量分数；图7为实施样品与对比样品的吸附速率曲线；图1中的标号含义：1——聚乙烯亚胺；2——去离子水；3——硅溶胶；4——聚乙烯亚胺水溶液；5——蜂窝陶瓷；6——浸泡液；7——结构吸附剂。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂，其特征在于，所述整体结构吸附剂包括聚乙烯亚胺、硅溶胶和蜂窝陶瓷；/n当聚乙烯亚胺的质量为x，硅溶胶所含SiO

【技术特征摘要】
1.一种基于胺功能化硅溶胶的整体结构吸附剂，其特征在于，所述整体结构吸附剂包括聚乙烯亚胺、硅溶胶和蜂窝陶瓷；
当聚乙烯亚胺的质量为x，硅溶胶所含SiO2的质量为y时，聚乙烯亚胺的质量分数w为30％～90％，其中w＝x/(x+y)。


2.根据权利要求1所述的整体结构吸附剂，其特征在于，所述蜂窝陶瓷的材质选自堇青石、莫来石、钛酸铝、碳化硅、氧化锆、氮化硅、陶瓷纤维及堇青石-莫来石复合基质以及堇青石-钛酸铝复合基质中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的整体结构吸附剂，其特征在于，所述硅溶胶所含SiO2的质量分数为20％～60％。


4.根据权利要求1所述的整体结构吸附剂，其特征在于，所述聚乙烯亚胺为支链型或直链型，分子量为300～70000。


5.根据权利要求1所述的整体结构吸附剂，其特征在于，所述整体结构吸附剂在吸附CO2气体时，吸附温度为10～85℃，脱附温度为90～150℃；所述吸附剂用于CO2气体吸附的吸附气中CO2的...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛天舒，吴俊晔，朱炫灿，杨凡，王如竹，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31