[发明专利]一种吸附CO2的虾壳基含氮活性炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氮活性炭的制备方法，具体是一种高效吸附CO₂的虾壳基含氮活性炭的制备方法。

背景技术

自工业革命以来，尤其是1950年以来，化石原料燃烧带来以CO₂为主的大量温室气体的排放，导致大量的干旱、洪灾、海平面上升，以及诸多不可预测的灾难。因此，实施CO₂的捕获和富集具有重要的理论和实际意义。目前，捕集CO₂的主要方法有液相吸收法、固态吸附法和膜分离法等。其中液相吸收法对设备有强腐蚀性、吸收剂再生能耗大及易被氧化，易降解；膜分离法存在分离效率较低、成本高等问题，限制了其应用。相比之下，固体吸附法操作相对简单，对设备的腐蚀性小，是一种极具推广前景的CO₂捕集回收技术。

我国是虾养殖大国，虾仁在加工过程中占虾总质量30～40％的虾壳被剔除。虾壳中含有丰富的蛋白质、甲壳素和壳聚糖、虾青素、不饱和脂肪酸以及必需氨基酸，具有广阔的开发利用前景。但由于技术条件的限制，大部分虾壳被用于生产饲料，利用价值大大降低，而且占用大量土地，造成环境污染。考虑到虾壳具有碳、氮含量高，广泛易得且成本低廉的优势，可以将其作为制备活性炭的理想前驱体。

虾壳基含氮活性炭材料不仅具有活性炭高的比表面积、丰富的孔结构、良好的稳定性及耐高温耐酸碱性等优点，同时氮原子的引入使得活性炭材料具有了一定的碱性，虾壳基含氮活性炭吸附CO₂因其低廉的成本，高吸附容量，高吸附选择性，较快的吸附动力学，优异的循环再生性能是固体材料捕获CO₂中最具有前景的材料之一。因此，从虾壳制备含氮活性炭既可以减少生活垃圾的数量，又可以开发虾壳的新用途。中国专利文献CN105271171A公开了一种以虾壳为碳源的N掺杂多级孔碳材料的制备方法，其特征在于以无毒、廉价的虾壳为碳源，在N₂的保护作用下，经高温煅烧，用稀盐酸处理，再用乙醇和蒸馏水的混合溶液反复清洗，烘干至恒重，得到N掺杂的多级孔虾壳炭材料；再与氢氧化钾以不同比例混合，在N₂的保护下煅烧，再经过热蒸馏水处理、稀盐酸处理，除去反应过程中产生的碳酸钾等杂质；再经过蒸馏水反复冲洗，过滤烘干至恒重，得到N掺杂的多孔碳材料。该多孔碳材料已成功应用于水环境中磺胺二甲基嘧啶和氯霉素的去除，而且具有优异的再生性能。但该方法需要炭化处理与活化处理，这两次处理的能耗比较大，且氢氧化钾活化剂易污染环境等缺点。中国专利文献CN104310396A公开了一种高效吸附CO₂的活性炭的制备方法，以三聚氰胺和甲醛反应后加入对氨基苯酚，回流反应4h，降温到室温，然后加入F127或P123的甲醇溶液，分别在100-120、130-160、170-190、210-230和240-260℃下分段分别固化得含氮预聚物；再炭化，炭化料与KOH混合后活化0.5-2.0h；最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到产品。该发明制备的活性炭具有高比表面积、高氮含量和高CO₂吸附性能的优点。但该方法使用了大量昂贵且有毒的有机物作为前驱物，采用的KOH活化剂具有中等毒性和极强的腐蚀性，并且先炭化再与KOH混合活化，工艺复杂，这与绿色化学倡导无毒、无害原料的理念不符。

综上，基于相对友好的活化剂，研制一种廉价高效的CO₂吸附材料具有重要的科学价值和良好的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种原料廉价，采用一步炭化与活化原位制备含氮活性炭的方法，所制备的虾壳基含氮活性炭在室温下对主要温室气体CO₂具有优良的吸附性能与稳定的循环再生吸附性能。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的吸附CO₂的虾壳基含氮活性炭的制备方法，包括以下步骤：

(1)将洗净、干燥后的废弃虾壳成粉到100-140目，随后用过量的1mol/L盐酸浸泡12h，经过滤、蒸馏水洗至中性、干燥后得到虾壳粉末；

(2)将虾壳粉末和活化剂按一定质量比在研磨机中混合均匀，得到混合物；

(3)将混合物置于50ml/min的N₂气氛中，经炭化后得到炭化料；

(4)炭化料经1mol/L盐酸与蒸馏水反复洗涤至中性，在110℃下干燥12h后，得到吸附CO₂的虾壳基含氮活性炭。

所述的步骤(2)中采用的活化剂为草酸钾。