[发明专利]适用于超低浓度二氧化碳捕集的疏水性季铵聚合物吸附剂及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种适用于超低浓度二氧化碳捕集的季铵聚合物吸附剂及其制备方法和在吸附空气中二氧化碳的应用。制备方法包括：将季铵聚合物活性基体、骨架载体、造孔助剂和疏水性载体均匀分散在有机溶剂中，混均得到前驱体主料；将前驱体主料制成具有一定厚度的材料，然后静置于大气环境中自然固化成型，接着将其转移至去离子水中进一步固化成型，得到未功能化的疏水性季铵聚合物吸附剂；将未功能化的疏水性季铵聚合物吸附剂置于碱金属碳酸盐溶液中，得到功能化后的疏水性季铵聚合物吸附剂。本发明吸附剂在高相对湿度条件下可表现出高二氧化碳吸附速率和吸附容量。

技术领域

本发明涉及直接空气二氧化碳(CO₂)捕集技术领域，具体涉及一种适用于超低浓度(可低至400ppm以下)二氧化碳捕集的疏水性季铵聚合物吸附剂及其制备方法和应用。

背景技术

在过去的半个多世纪里，冰川融化、海平面上升、极端天气、臭氧消耗等全球自然气候问题日益严重，应对因温室气体大量排放造成的全球气候变暖问题更是到了刻不容缓的程度。

作为负排放技术之一，直接空气二氧化碳捕集技术(DAC)指通过捕集装置直接从空气中去除CO₂以降低大气CO₂浓度，由于其低土地足迹、可灵活部署等优势，可以有效满足移动源的碳减排需求，同时可以与CO₂利用、封存等后处理技术实现耦合，是富有前景的碳减排技术。

在当前主流DAC技术路线中，高温溶液技术、变温吸附技术由于其再生过程对热源的高需求使得系统整体能耗偏高，不适用于未来低经济成本规划下的工业化应用。而常温变湿吸附技术仅依靠水的蒸发自由能作为CO₂再生的能量来源，捕集全过程可在常温环境下进行，无需额外热量供给，大大降低了系统能耗，是适合工业化应用的后备技术。此技术所用到的吸附剂以季铵聚合物的基体材料为主，其它材料如纤维素、壳聚糖类等也有相关研究，针对季铵聚合物吸附剂的研究开始较早，在多年的发展中不断取得突破，是极具潜力的DAC材料。

然而，根据目前的研究，季铵聚合物吸附剂材料在高相对湿度(RH)的空气环境中CO₂吸附性能表现较差。由于常温变湿吸附技术的湿度波动特点，相关吸附剂均对湿度变化表现敏感，往往在高相对湿度条件下CO₂的吸附量很低或基本为零。这对于该技术的工业化应用是不利的，面对复杂多变的大气实际环境，吸附剂材料需在温度、湿度等条件的不断变化中保持稳定，CO₂吸附量需维持在可观的水平。Hou等(Hou C,Kumar D R,Jin Y,etal.Porosity and hydrophilicity modulated quaternary ammonium-based sorbentsfor CO₂ capture[J].Chemical Engineering Journal,2021,413:127532)采用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)手段将含氟嵌段(疏水性片段)嫁接到一种季铵聚合物吸附剂上，并应用于CO₂吸附，结果表明合成产物在20％～40％RH区间保持稳定的CO₂吸附量，但在相对湿度超过60％RH后CO₂吸附量快速下降，且RAFT合成过程较为复杂、产率偏低，不适用于工业化生产。

因此，改善季铵聚合物吸附剂及其改性材料在高相对湿度条件下(通常指60％RH)的CO₂吸附性能是目前研究的重点。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种适用于超低浓度二氧化碳捕集的疏水性季铵聚合物吸附剂的制备方法，制备得到的疏水性季铵聚合物吸附剂可用于直接空气二氧化碳捕集，该吸附剂在超低CO₂分压(如400ppm)、广泛的相对湿度范围内(20％～85％RH)均可快速、高容量吸附二氧化碳，且吸附剂依然保持变湿再生的特性，可在常温或低温热辅助条件下实现CO₂再生，条件温和、整体能耗低，适宜工业化应用。