[发明专利]一种离子型共聚物复合材料吸附剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种离子型共聚物复合材料吸附剂及其制备方法和应用。通过将离子液体单体和交联剂二乙烯苯共聚制备多孔离子型共聚物；以原位生长的方式将金属有机骨架材料负载在多孔离子型共聚物表面，得到多孔离子型共聚物复合材料吸附剂。制备的吸附剂同时具备微孔和介孔结构，且兼具较高的孔隙率以及丰富的有利于CO₂化学吸附的碱性官能团，展现出较高的CO₂吸附量和较快的CO₂吸附扩散速率，低压下的CO₂吸附量得到明显提升，多次重复使用后吸附量没有明显下降。

技术领域

本发明涉及一种离子型共聚物复合材料吸附剂及其制备方法和应用，属于气体吸附分离领域。

背景技术

由于全球经济的发展，化石燃料的过度燃烧导致温室效应愈发严重。温室效应的存在造成气候改变，给人类生活带来了诸多不便。二氧化碳作为温室气体的主要成分以及一种可再生的碳源，其吸附、分离和利用问题引起了人们的关注。

对于二氧化碳的捕集，目前常用的方法有吸收法和吸附法，而工业上比较常使用的是醇胺法(如用单乙醇胺溶液吸收)。但是这种方法存在再生能耗高，对设备腐蚀严重以及化学性质不稳定的缺点。吸附法分为物理吸附法和化学吸附法。物理吸附法是由二氧化碳和吸附剂分子间作用力所引起的，发生在固体表面的一种吸附方法，其吸附作用的大小与吸附剂的性质、比表面积和二氧化碳浓度大小以及环境温度相关。由于它是由分子间作用力所引起的，所以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度都较快。化学吸附法是二氧化碳与固体表面发生电子转移、交换，形成化学键的吸附作用，其吸附作用力与化学键力相当，吸附热近似于反应热，具备一定的选择性。因此，合理利用物理吸附和化学吸附来开发一种具有较高二氧化碳吸附性能的吸附剂成为当前研究热点。

作为一种绿色溶剂，离子液体引起了广大研究者的关注。它具有溶解性能强、热稳定性好、不挥发以及分子结构易调变等优点，但是其粘度较高，在分离回收时比较困难，使得其难以实际应用。为了克服离子液体的缺点，我们可以将其固化，通过聚合制备聚离子液体，其兼具离子液体和聚合物的诸多优点。通过将离子液体单体和交联剂共聚的方法，可以制备出具有介孔孔道的离子型共聚物，这种孔道结构有利于二氧化碳分子的传输。但是，相比于其它多孔材料，多孔离子型共聚物的二氧化碳吸附量还有待提升。

金属有机骨架材料作为一种多孔配位聚合物，其超高的比表面积、规整的孔道结构以及超高的孔隙率使得其在气体吸附领域获得广泛关注。然而多数金属有机骨架材料的孔道为微孔结构，这使得在二氧化碳分子传输的速率很难得到提高，并且金属有机骨架材料通常以物理吸附为主，尤其在二氧化碳浓度较低时吸附性能不显著。将金属有机骨架材料原位生长在介孔离子型共聚物表面，可以把介孔孔道和微孔孔道的优势有机结合，从而克服金属有机骨架传输速率低和离子型共聚物吸附量小的弊端。同时，离子型共聚物表面所保留的碱性官能团在捕集二氧化碳时，尤其是在二氧化碳浓度较低时，起到很好的效果，进一步提升了这种多孔离子型共聚物复合材料的吸附性能。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种离子型共聚物复合材料吸附剂，本发明的另一目的是提供上述离子型共聚物复合材料吸附剂的制备方法，本发明还有一目的是提供上述离子型共聚物复合材料吸附剂在二氧化碳吸附方面的应用。制备的吸附剂在常温常压下表现出较好的吸附性能和良好的重复使用性。

本发明的技术方案为：一种离子型共聚物复合材料吸附剂，其特征在于该复合材料是由离子型共聚物和金属有机骨架两种材料组装而成，其中金属有机骨架在复合材料中的质量含量为9-19％；离子型共聚物由离子液体单体和二乙烯苯共聚得到；该复合材料中同时存在微孔和介孔结构。

优选上述的金属有机骨架材料为ZIF-8、ZIF-67、MIL-100(Fe)或HKUST-1中的一种；所述的离子液体单体为1-乙基-3-乙烯基咪唑溴盐、1-氨乙基-3-乙烯基咪唑溴盐或1-乙基-4-乙烯基吡啶溴盐中的一种。