一種離子水合物型吸附劑及其制備方法和應用與流程

本發明屬于化學技術領域，具體涉及一種離子水合物型吸附劑，本發明還涉及該吸附劑的制備方法和應用。

背景技術：

全球變暖是一個日益嚴重的問題，國際氣候變化組織(Intergovernmental Panel on Climate Change)指出在本世紀末，要維持空氣中二氧化碳的濃度在350到440ppm之間。美國能源研究所(Institute for Energy Research)指出傳統化石燃料的使用仍然占據總能源使用量的80％到85％。

捕集二氧化碳迫在眉睫。然而，電廠排放的二氧化碳量只有總二氧化碳排放量的二分之一，剩余的二氧化碳由汽車，飛機和小型設備排放出。所以空氣捕集二氧化碳技術是必要的。然而，當今空氣捕集二氧化碳的技術才剛剛開始。Baciocchi(Baciocchi,R.,Storti,G.&Mazzotti,M.Process design and energy requirements for the capture of carbon dioxide from air.Chemical Engineering and Processing:Process Intensification 45,1047-1058(2006).)和Keith(Keith,D.W.,Ha-Duong,M.&Stolaroff,J.K.Climate strategy with CO2capture from the air.Climatic Change 74,17-45(2006).)的空氣捕集二氧化碳的技術使用NaOH去吸收空氣中的二氧化碳能耗太大，679kJ/mol，捕集二氧化碳消耗的能量相當于燃燒煤中含有能量的兩倍，而且在再生過程中需要加熱耗能。K.S.Lackner(Lackner,K.S.Capture of Carbon Dioxide from Ambient Air.Eur.Phys.J.Spec.Top.176,93-106,doi:10.1140/epjst/e2009-01150-3(2009)；Lackner,K.S.et al.The urgency of the development of CO2capture from ambient air.Proceedings of the National Academy of Sciences 109,13156-13162,doi:10.1073/pnas.1108765109(2012).)的離子交換樹脂會被碳化，從而降低的吸附材料的吸附性能，而且這個方法僅僅局限于離子交換樹脂，材料的可擴展性和普適性有所欠缺。離子交換樹脂屬于微米級顆粒，這種材料與空氣的接觸面積有限，所以不能夠很高效的吸附二氧化碳。所以，研發一種吸附劑，再生的時候不需要消耗熱能，而且要與空氣有大量的接觸面積從而提高材料的吸附效率，這是極其關鍵的地方。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種離子水合物型吸附劑，解決了現有吸附劑捕集二氧化碳能耗高及效率差的問題。

本發明的另一個目的提供一種離子水合物型吸附劑的制備方法。

本發明的第三個目的是提供一種采用上述離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的方法。

本發明所采用的技術方案是，一種離子水合物型吸附劑，包括吸附劑載體以及吸附劑載體上附著的酸根離子，其中吸附劑載體為納米空洞材料。

本發明的特點還在于，

納米空洞材料為所有具有納米級空洞的多孔材料。

納米空洞材料為活性炭、石英、沸石、離子交換樹脂，碳納米管，有機金屬框架材料其中的一種。

酸根離子為碳酸根、亞硫酸根、硫酸根或磷酸根。

本發明所采用的第二個技術方案是，一種離子水合物型吸附劑的制備方法，將納米空洞材料浸入到酸根堿性鹽離子溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中干燥，得到。

本發明的特點還在于，

納米空洞材料為所有具有納米級空洞的多孔材料。

納米空洞材料為活性炭、石英、沸石、離子交換樹脂，碳納米管，有機金屬框架材料其中的一種。

酸根堿性鹽離子溶液為碳酸鈉溶液、亞硫酸鈉溶液、硫酸鈉溶液或磷酸鈉溶液中的一種。

干燥是在常溫常壓下干燥2～2.5h。

本發明所采用的第三個技術方案是，采用離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，將離子水合物型吸附劑裝入小袋中，小袋只允許水分子和氣體分子通過；

步驟2，將步驟1密封好的吸附劑在空氣中自然晾干2～2.5h，這時吸附劑已經吸附滿二氧化碳處于飽和狀態；

步驟3，將吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，二氧化碳就會釋放出來，集中處理釋放出的二氧化碳，用于儲存；

步驟4，再將步驟3釋放完二氧化碳的吸附劑放入空氣中晾干，同時吸附空氣中的二氧化碳至飽和；

步驟5，將步驟4吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，又會釋放出二氧化碳，晾干吸附，如此循環重復利用。

本發明的有益效果是，

本發明離子水合物型吸附劑，可以利用任何有納米孔洞為基體的材料，來吸附二氧化碳，該吸附劑僅僅用水的多少就可以驅動整個吸附釋放過程，當空氣中水量較少的時候(不下雨的天氣)，可以在空氣中吸附二氧化碳；當吸附劑滿負荷的時候，將吸附劑放入水中，吸附的二氧化碳就可以釋放出來，于此可以集中處理二氧化碳。簡而言之，水少，吸附二氧化碳，水多，釋放二氧化碳。

本發明吸附劑不需要加熱就可以完成整個吸附釋放循環，唯一的驅動力就是水，可以普遍適用于所有的納米空洞材料，具有廣泛適用性；與現有吸附劑相比，大大提高了吸附效率，是現有吸附劑的50倍。

附圖說明

圖1是本發明離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的吸附釋放循環圖；

圖2是本發明離子水合物性吸附劑的工作原理圖；

圖3是CO₃^2-+nH₂O＝HCO₃^-+OH^-+(n-1)H₂O這個化學反應方程式自由能隨水量的變化曲線；

圖4是本發明離子水合物性吸附劑吸附二氧化碳隨水量變化的曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明離子水合物型吸附劑，包括吸附劑載體以及吸附劑載體上附著的酸根離子，其中吸附劑載體為納米空洞材料。

納米空洞材料為所有具有納米級空洞的多孔材料，優選地，納米空洞材料為活性炭、石英、沸石、離子交換樹脂，碳納米管，有機金屬框架材料其中的一種。

酸根離子為碳酸根、亞硫酸根、硫酸根或磷酸根。

上述離子水合物型吸附劑的制備方法，將納米空洞材料浸入到酸根堿性 鹽離子溶液中浸泡至飽和(不同的納米空洞材料可以負荷不同質量的堿性鹽溶液)，然后在空氣中常溫常壓下干燥2～2.5h，得到。

酸根堿性鹽離子溶液為碳酸鈉溶液、亞硫酸鈉溶液、硫酸鈉溶液或磷酸鈉溶液中的一種。

每1摩爾的酸根離子可以吸附1摩爾的二氧化碳。制備吸附劑所使用的酸根堿性鹽離子溶液的量可以根據吸附二氧化碳總量的要求量身制作。

采用離子水合物型吸附劑捕集二氧化碳的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，將離子水合物型吸附劑裝入小袋中，小袋只允許水分子和氣體分子通過；

步驟2，將步驟1密封好的吸附劑在空氣中自然晾干2～2.5h，這時吸附劑已經吸附滿二氧化碳處于飽和狀態；

步驟3，將吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，二氧化碳就會釋放出來，集中處理釋放出的二氧化碳，用于儲存；

步驟4，再將步驟3釋放完二氧化碳的吸附劑放入空氣中晾干，同時吸附空氣中的二氧化碳至飽和；

步驟5，將步驟4吸附滿二氧化碳的吸附劑放入水中，又會釋放出二氧化碳，晾干吸附，如此循環重復利用。

如圖1所示，本發明離子水合物型吸附劑吸附釋放過程。Empty-Fresh狀態時吸附劑準備完畢，在空氣中只有少量水分子存在的情況下，Empty-Dry狀態時水分子會分解成質子和一個氫氧根離子，氫氧根離子已經可以吸附二氧化碳；Full-Dry狀態時說明吸附劑已經滿負荷；Empty-Wet狀態時將吸附劑放入水中，二氧化碳會釋放出來，晾干之后回到Empty-Fresh狀態可以重 新使用。

本發明離子水合物性吸附劑的工作原理，如圖2所示，

其中通過分子動力學和量子化學的計算，發現了這種逆向反常態的化學反應，進而才設計出了這種新型的吸附材料。在納米材料的空洞結構下，碳酸根和水的比例可以高達1：1，導致了這種逆向的化學反應。所以這種化學反應在水環境下是不存在的。通過計算CO₃^2-+nH₂O＝HCO₃^-+OH^-+(n-1)H₂O這個化學反應方程式自由能隨水的多少的變化，如圖3曲線所示。橫坐標是水量的多少，縱坐標是自由能變化值。當水很少時，自由能是負值，上述的化學反應方程式會向右邊進行，從而產生大量的OH^-，氫氧根，來吸附二氧化碳；當水分子多的時候，自由能成為正值并逐漸穩定，說明化學反應就會向左邊進行，從而存在很少的OH^-，不能吸附二氧化碳。因此將納米空洞材料，在含酸根離子的鹽溶液中浸泡之后，空洞中就會存在酸根，加上空氣中的水和二氧化碳，就會有上述的逆向化學反應，從而吸附二氧化碳。

圖4展示了吸附劑吸附二氧化碳隨水量變化的曲線圖。橫坐標是時間，左邊的Y軸是二氧化碳濃度，右邊的Y軸是水的濃度。二氧化碳的濃度隨時間的變化由實線指出，水的濃度隨時間的變化由虛線表示。結果顯示出，當空氣中水分子數較多時30PPT，二氧化碳在空氣中的濃度很高達到700PPM；當空氣中的水分子數較少時，3PPT，吸附劑開始吸附二氧化碳從而二氧化碳濃度減低到450PPM。將水濃度調高重新回到30PPT時，二氧化碳濃度又增加到700PPM。證明吸附劑釋放出了二氧化碳。如此可以循環使用。

實施例1

將活性炭浸入到碳酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2h，得到離子水合物型吸附劑。

實施例2

將石英浸入到碳酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。

實施例3

將沸石浸入到亞硫酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.2h，得到離子水合物型吸附劑。

實施例4

將活性炭浸入到硫酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。

實施例5

將碳納米管浸入到磷酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。

實施例6

將石英浸入到亞硫酸鈉溶液中浸泡至飽和，然后在空氣中常溫常壓下干燥2.5h，得到離子水合物型吸附劑。