[发明专利]一种用于二氧化碳吸附的胺基改性介孔泡沫材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳吸附技术领域，特别是涉及一种用于二氧化碳吸附的胺基改性介孔泡沫材料及其制备方法。

背景技术

目前，全球变暖是对人类生存环境的最大威胁。全球变暖不是简单的环境污染和生态灾难，它破坏的是整个地球的气候系统，会引发一系列连锁反应，所造成的后果是不可逆转的。表现为大面积低温、雨雪以及冰冻灾害的“拉尼娜”现象，全世界很多地方的暴雪肆虐，水灾，旱灾等现象都与全球变暖的大背景不无关系。学术界研究认为，煤、石油、天然气燃烧等产生的二氧化碳、碳粒粉尘，以及堆放垃圾产生的甲烷等，是导致全球变暖的主因，而在各种温室气体中占主要地位的二氧化碳的排放量正在逐年增加。据一项研究结果显示，2000年至2004年期间，全球二氧化碳排放量每年增加3.2%，大幅超过1990年至1999年年均1.1%的增长速度。根据这项研究，1980年全球二氧化碳排放量约为50亿吨，之后持续增加，至2004年已超过73亿吨。研究组认为，除发展中国家人口增加和经济增长外，越来越多的国家为维持一定规模的经济产值而加大了温室气体排放量。研究组警告说，“二氧化碳排放量的增加速度已超过联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的预测，将进一步对全球气候产生巨大影响”。科学家预测，2030年全球二氧化碳排放量将逾400亿吨。

二氧化碳减排已成为摆在各国政府面前的重要问题，各国都在寻求适合自己的降低二氧化碳排放量的方法。在2009年12月7-18日的哥本哈根世界气候大会上，中国政府针对全球性气候问题提出了自己的减排方案，得到了很好的国际反响。国务院总理温家宝2009年11月25日主持召开国务院常务会议，决定2020年单位GDP（国内生产总值）二氧化碳排放比2005年下降40%到45%，并将其作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划内。

如果二氧化碳捕捉及储存（CCS）技术可以成功运用于工业生产，人们就可以捕捉生产中产生的大量二氧化碳，将其封存并埋藏于地底下，如此就不必担心大量二氧化碳所引起的温室效应。目前的碳捕捉技术主要采用化学吸附法，如在工业生产中，可将含二氧化碳的废气通过胺液，分离出其中的二氧化碳，之后在适当地方通过加热胺液再将二氧化碳释放。现今少数进行商用碳捕捉的煤电厂都使用单乙醇胺作为二氧化碳吸收剂。但单乙醇胺腐蚀性强且容易蒸发，需使用的大型设备复杂，并且只有在二氧化碳处于轻微至中等压力下才有效。

多孔材料是一种有前景的CO₂ 吸附及捕捉材料，它克服了液态胺吸收方法中液态胺溶液蒸发、腐蚀设备等缺点，且具有传质速率快、设备操作简单、低能耗、自动化程度高等优点，已经广泛用于合成氨、甲醇及制氢工业中。目前工业上最常见的CO₂吸附材料主要是沸石分子筛、活性炭、层状黏土、金属氧化物等无机材料。无机吸附材料由于碱性很弱，对CO₂吸附以物理吸附为主，大大限制了其工业应用。介孔材料在吸附催化等领域已引起了极大的关注，其结构和性能介于无定形无机多孔材料（如无定形硅铝酸盐）和具有晶体结构的无机多孔材料（如沸石分子筛）之间，其主要特征为：①具有规则的孔道结构；②孔径分布窄，且在1.5～10nm之间可以调节；③经过优化合成条件或后处理，可具有很好的热稳定性和一定的水热稳定性；④颗粒具有规则外形，且可在微米尺度内保持高度的孔道有序性。这些特征使介孔材料具有更强的吸附能力，目前研究比较广泛的主要是硅基介孔材料，但纯硅基介孔材料对CO₂的吸附以物理吸附为主，效果不明显。基于此，不少研究者都在致力于对硅基介孔材料进行改性以提高其吸附性能。但在介孔硅基材料对二氧化碳的吸附方面，目前尚有许多工作需要深入研究。

对于介孔材料，要提高其吸附二氧化碳的能力，除与介孔本身的因素，如比表面积、孔隙率、孔大小等因素有关外，还要求基体具有合适的表面性质。同时吸附材料还要具有较大的吸附容量，同时还必须可重复使用，在经过多次吸附-脱附后，材料的结构和吸附能力不发生明显的改变。二氧化碳吸附材料表面通常要具备有一定的碱性位，这种碱性位不可太强，太强则不利于二氧化碳的脱附和材料的再生循环；亦不可太弱，太弱则限制了材料在稍高温度下的使用。

目前，多位研究者对介孔硅基材料进行氨基改性，增加表面的碱性位，提高了二氧化碳吸附能力，但有机碱性基团修饰后的介孔材料，虽吸附能力较大，但水热稳定性难以满足要求。因此，合成一种吸附容量高、循环使用性能良好、再生过程消耗能量少的吸附二氧化碳材料对碳捕捉技术至关重要。

发明内容