[发明专利]一种高效富胺再生介孔分子筛催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高效富胺再生介孔分子筛催化剂的制备方法和应用。本发明提供的后合成法合成催化剂的制备方法包括以下步骤：称取适量MCM‑41粉末于烧瓶中，加入苯甲醇和甲苯混合溶剂，形成混合液A；将混合液A加热搅拌回流，得到混合液B；对混合液B进行离心干燥得到粉末C；将粉末C加入烧瓶中，加入无水氯仿，滴加适量氯磺酸，加热搅拌回流，得到混合液D；对混合液D离心分离，并用氯仿洗涤三次，得到固体E；对固体E真空干燥，得到磺酸基官能团修饰的MCM‑41催化剂。与现有技术相比，该催化剂制备过程工艺简单，原料廉价易得；催化富胺溶液再生性能远高于传统的分子筛催化剂；催化剂易于分离且可循环使用；对胺溶液的CO₂吸收性能无负面影响。

技术领域

本发明属于资源与环境技术领域，具体涉及一种高效富胺再生介孔分子筛催化剂的制备方法和应用。

背景技术

化石燃料如石油、煤、天然气等的过度使用，排放出大量的CO₂温室气体，导致诸多环境问题如全球变暖、海平面上升、病虫害增加等。目前，主要采用二氧化碳捕获、封存与利用(CCUS)技术减少二氧化碳的排放量。其中，以单乙醇胺(MEA)为吸收溶剂的化学吸收法因其具有反应速率快、吸收容量大、化学稳定性好、工艺技术成熟等优点，得到广泛的应用。但该方法存在富胺溶液再生能耗过高的缺点，有机胺溶剂再生过程消耗的能耗约占脱碳系统总能耗的三分之二左右，使得胺法CO₂捕获技术总成本居高不下。

针对富胺溶液再生能耗高的问题，Idem、梁志武等人提出向富胺体系中添加固体酸催化剂来促进解吸反应的进行。梁志武等人研究了γ-Al₂O₃、HZSM-5及两种固体酸催化剂的物理混合物在5M MEA溶液中105℃下的催化CO₂解吸性能，结果表明相对空白解吸，分别可以降低其再生能耗18.6％，22.1％和23.7％(Liang et al.AIChE Journal.2016；62:753-65)。Idem等人研究表明在95℃下，向5M MEA溶液中加入γ-Al₂O₃、HZSM-5可分别降低其再生能耗27.5％和37.3％(Shi and Idem et al.Int.J.Greenhouse Gas Control,2014,26(7):39-50.)。前期研究结果表明，典型的分子筛、超强固体酸及金属氧化物等催化剂均可促进富胺溶液解吸再生过程，相对于5M MEA空白解吸，催化剂的加入可降低其再生能耗15％-30％左右(Zhang et al.Applied Energy 202(2017)673-684；Bhatti et al.ACSSustainable Chem.Eng.2017,56(27):7656-7664；Gao et al.Applied Energy 259(2020)114179)。

但现有的催化剂降低其再生能耗值还不足以降低至较为理想水平，因此进一步开发设计新型高效的固体催化剂应用于富胺溶液再生过程，降低其再生能耗进而降低胺溶剂捕获CO₂的工业成本，具有重大的实际意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是，通过合成磺基官能团修饰的MCM-41分子筛催化剂，进一步提高胺溶液解吸速率，降低富CO₂胺溶液再生能耗，从而降低胺法捕获CO₂成本。实现能源的多效利用，达到节能减排的目的。

本发明的技术方案是，提供一种高效富胺再生介孔分子筛催化剂的制备方法和应用，该方法原料价格便宜，工艺简单，且改性后催化性能提高。该技术方案所述磺基官能化MCM-41分子筛是以MCM-41为载体，表面含有磺基官能团(-SO₃H)。所述MCM-41分子筛，Si/Al＝25。

本发明提供的后合成法磺酸基官能化MCM-41分子筛催化剂，包括以下步骤：

(1)称取适量MCM-41粉末分子筛于圆底烧瓶中，加入苯甲醇和甲苯混合溶剂，形成混合液A；