[发明专利]一种氨基化二氧化硅颗粒吸附剂的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氨基化二氧化硅颗粒吸附剂的制备方法及应用，属于二氧化碳吸附捕集技术领域。本发明将正硅酸四乙酯溶于醇‑水混合溶剂中，在温度为0～10℃条件下混合均匀得到正硅酸四乙酯‑醇溶液；将聚乙烯亚胺加入到正硅酸四乙酯‑醇溶液中，在温度为0～10℃、搅拌条件下反应15～45min得到混合溶液；将混合溶液置于室温条件下搅拌反应15～35min得到溶胶；将溶胶置于温度为30～50℃条件下聚合反应12～48h得到凝胶；将凝胶置于温度为80～100℃条件下干燥处理24～48h即得氨基化多级孔二氧化硅吸附剂。本发明的氨基化二氧化硅颗粒吸附剂可作为低浓度二氧化碳再生吸附剂。

技术领域

本发明涉及一种氨基化二氧化硅颗粒吸附剂的制备方法及应用，属于二氧化碳吸附捕集技术领域。

背景技术

在密闭空间中，如机舱、矿井等，受工作条件限制在一定时间内无法与外界环境进行空气交流。由于内部工作人员呼吸代谢、机械设备运行及材料氧化分解等原因导致密闭空间中的CO₂浓度升高，当CO₂浓度超过一定限度，就会对人体造成不利影响，直接危害到人体健康甚至导致中毒死亡。室内环境中CO₂适宜浓度约为0.04％左右，根据《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)规定室内空气中二氧化碳浓度不得超过0.1％。因此，需要控制CO₂浓度在安全范围内，使其适合工作人员长期作业。

目前，固态胺吸附剂是一种有效的CO₂吸附材料。以多孔分子筛等材料为载体，利用有机胺对其进行修饰，通过引入氨基大幅提高CO₂吸附能力。同时又解决了液态胺溶液传质阻力大、易腐蚀设备等缺点，并且水蒸气的存在反而会促进对CO₂的吸附。但面对捕捉密闭空间中低浓度CO₂的还存在平衡分压大，吸附能力低、水蒸气破坏吸附剂结构导致循环能力降低等问题亟需解决。

针对分子筛等材料的有机胺负载方法主要分为物理浸渍法和化学接枝法两种。其中物理浸渍法可引入的氨基种类一般不受限制，但氨基负载量受载体孔道大小影响严重，容易发生氨基堵塞载体孔道或破坏载体孔结构从而导致吸附效率下降。由于机胺与载体之间是由物理吸附作用连接，因而制得的吸附剂稳定性一般较差。化学接枝法是将胺基通过化学键连接到载体表面，通常是利用氨基硅烷偶联剂的硅烷基与二氧化硅基体表面的硅羟基之间的硅烷反应实现的。相对于浸渍法，化学接枝法可以将氨基均匀分散在载体表面势，增加了单位面积的二氧化碳吸附活性，且化学键稳定不易被破坏。但由于材料表面的硅羟基有限，使得能接枝的氨基数量有限，因此所制得的吸附剂的二氧化碳吸附容量相对浸渍法的更低。

因此，有必要开发出一种制备工艺简单、材料结构稳定且氨基分布均匀，具有良好吸附能力和循环吸附稳定性的固体吸附剂。

发明内容

针对固体吸附剂存在合成步骤繁琐、结构稳定性较差以及氨基担载量有限等问题，本发明提供一种氨基化二氧化硅颗粒吸附剂的制备方法及应用，本发明以聚乙烯亚胺为模板剂和胺源，采用溶胶-凝胶法在温和条件下一步合成了带有氨基官能团的氨基化多级孔二氧化硅吸附剂整料，该氨基化二氧化硅颗粒吸附剂为多级孔结构，即同时具有大孔、介孔和微孔的分布，其中大孔结构有利于二氧化碳分子向吸附内部扩散并与介孔和微孔中的吸附位点接触并反应，在常温下对低浓度二氧化碳(浓度低于1％)具有较好的吸附脱附性能和较高的氨基利用率。

一种氨基化二氧化硅颗粒吸附剂的制备方法，具体步骤如下：

(1)将正硅酸四乙酯溶于醇-水混合溶剂中，在温度为0～10℃条件下混合均匀得到正硅酸四乙酯-醇溶液；

(2)将聚乙烯亚胺加入到步骤(1)的正硅酸四乙酯-醇溶液中，在温度为0～10℃、搅拌条件下反应15～45min得到混合溶液；

(3)将步骤(2)的混合溶液置于室温条件下搅拌反应15～35min得到溶胶；