[发明专利]一种基于有序介孔碳的二氧化碳吸附剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，涉及一种新型二氧化碳吸附剂及制备方法，尤其涉及一种基于有序介孔碳的二氧化碳吸附剂及制备方法。

背景技术

工业革命以来化石燃料被大量消耗，二氧化碳排放量急剧增长，导致了一系列全球性的气候问题和环境问题，如何减少二氧化碳排放业已国内外广泛关注的热点。在各种二氧化碳减排技术中，碳捕集、封存技术(CCS)备受关注，用于捕集工业废气中二氧化碳的新材料（吸附剂）及制备方法发展迅速。

在常用的二氧化碳吸附剂中，活性炭因其生产材料来源广泛、工业化生产成本低而被广泛使用，微孔结构发达、吸附容量较大且具有一定的疏水性，但对二氧化碳的吸附性能有待提高；沸石分子筛具有较强的吸附能力、吸附选择性好，但容易受到吸附气体中水蒸气的影响，吸附量随温度升高明显降低；硅胶制作工艺简单；聚酯类介孔材料以及分子筛均是适合于二氧化碳吸附的材料，而其中更以介孔分子筛材料为应用研究的热点。CN101372325A公开的“一种碳氮多孔材料及其储氢应用”通过介孔二氧化硅硬模板法制备了一种有序介孔碳氮化合物，成本低，循环性能好，储氢容量较高，但不针对二氧化碳吸附的情况，未测试其二氧化碳吸附性能，也未将其应用于二氧化碳吸附领域；CN103315053A公开的“一种用于吸附二氧化碳的活性炭罐”提供了一种通过活性炭来吸附二氧化碳的方法，但仅限于对活性炭的直接利用；CN101543762公开的“二氧化碳吸附剂及其制造方法”采用胺类物质对活性炭进行改性，能够满足工业上对废气的处理要求，然而由于其原料为普通活性炭，原料孔径不均匀且无序，改性后对二氧化碳的吸附性能虽有提高，但相比于以有序介孔材料为原料的情况仍有不足。目前，尚未见到以有序介孔碳为原料改性制备二氧化碳吸附材料的相关报道，亦未见制备基于有序介孔碳的疏水性二氧化碳吸附材料的相关报道。

虽然已有很多新型吸附剂及制备方法被提出，但这些技术和方法主要针对干燥工业废气中二氧化碳的捕集，而实际的工业废气成分复杂，通常含有大量的水蒸气，活性炭、沸石分子筛等传统二氧化碳吸附剂无法直接应用于这种高湿环境。显然，研制适用于高湿环境下捕集二氧化碳的新型吸附材料具有重要意义和应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型二氧化碳吸附剂及制备方法，通过溶剂蒸发诱导自组装法（EISA）合成有序介孔碳，并采用浸渍法对其进行担载聚乙烯亚胺（PEI）改性以提高新型吸附剂的疏水性，使其可应用于高湿环境下的二氧化碳吸附。

本发明技术方案的实施方法如下：一种基于有序介孔碳的二氧化碳吸附剂的制备方法如下（如图1所示）：

步骤1：在常温常压条件下，称取适量苯酚，并将其按n（苯酚/NaOH）=1:0.04~1:0.08的质量比与NaOH溶液混合，在40±5℃条件下恒温搅拌10~30min；

步骤2：将适量质量分数为37%的甲醛溶液逐滴加入到步骤1所得到的混合物中，并将上述混合物进一步在75±10℃的温度条件下搅拌2~4h，然后冷却至室温，完成预聚过程；

步骤3：使用低浓度的盐酸将pH值调到6~8，之后在45±5℃的条件下蒸发24h以上，使水分完全蒸发，得到resol型酚醛树脂；

步骤4：取单位重量份步骤3中得到的酚醛树脂为前驱体，以F127为模板剂、乙醇为溶剂在40±5℃的条件下混合、搅拌5~20min，并将其转移到平底培养皿中静置10~16h，使溶剂蒸干以实现溶剂蒸发诱导自组装；

步骤5：将步骤4中得到的样品放入烘箱之中，在100±10℃的条件下加热6-24h，制备得到柔软的薄膜，完成热聚合；

步骤6：将热聚合得到的薄膜刮下、剪碎，放入真空管式炉在氮气保护气氛中以1~5℃/min的升温速率升温至800±50℃高温煅烧，并在800±50℃下保温3h以上；

步骤7：将步骤6中碳化的材料研磨成粉末，向其加入质量分数为40~60%的浓硫酸中，在95±5℃的条件下加热24h以上除去模板，再用水和无水乙醇反复洗涤样品，经过过滤、干燥后得到有序介孔碳；

步骤8：取一定质量的聚乙烯亚胺（PEI）加入甲醇中在适宜的温度条件下搅拌，得到均匀的PEI溶液；

步骤9：将相应质量步骤7中制备的有序介孔碳加入PEI溶液中，搅拌10min以上再使用超声清洗器进行超声振荡5~20min，使PEI能够均匀地分布在有序介孔碳上；

步骤10：将步骤9中的样品放入烘箱，在75±5℃的条件下干燥12h，最终获得PEI改性的有序介孔碳，即产品。