[发明专利]一种用于吸附CO2的改性钛纳米管吸附剂及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及化工技术领域，具体涉及一种用于吸附CO₂的改性钛纳米管吸附剂及其制备和应用。

背景技术

控制温室效应、应对全球气候变化的根本在于削减固定源和移动源的CO₂排放量。我国CO₂排放量已超越美国跃居世界第一；且长期以煤炭为主要能源的能耗结构使得碳排放强度也很高。在“后京都时代”，作为签字国之一，我们必然会面临巨大的减排压力。如何在保持足够发展空间的前提下，理智的协调国际关系，积极应对碳排放问题是我国面临的一个巨大挑战。

CCS(CO₂ capture and storage)是一种行之有效的CO₂排放量控制技术。考虑到我国现有燃煤电厂的实际情况，燃烧后CO₂捕集技术成为减排温室气体可选的主要路线。目前，对于CO₂的捕集和分离方法主要包括吸收法和吸附法。工艺较为成熟的化学吸收法通常采用单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)等吸收剂，但是这些吸收剂再生困难，能耗大。多孔材料吸附法是一种颇有前景的气体分离方法，它克服了吸收法选择性差、运行费用高、腐蚀设备、易造成二次污染等缺点，具有工艺过程简单，能耗、投资费用低，易实现自动化操作等优势。考虑到燃煤电厂的实际烟气条件，使用在中温(70～150℃)条件下具有高吸附量、高选择性、循环使用性能稳定的吸附材料可以大大降低CO₂的分离成本和电厂运行成本。活性炭、沸石分子筛、碳分子筛等是常见的吸附材料。虽然这些材料在室温下对CO₂的吸附容量相对较高，但其吸附量随着温度的升高迅速下降；并且在水分、N₂等其它气体存在的情况下，CO₂的选择吸附性也会受到严重影响。

近年来有机胺改性的介孔材料引起了广泛关注。很多研究学者在规整的介孔孔道中接枝或物理吸附有机胺类改性剂。接枝法改性材料中的氨基活性位有限，故吸附容量相对较低。浸渍法将高质量百分比的有机胺引入孔道结构中，有机胺高度分散，其碱性氨基基团和CO₂化学结合，实现了高吸附量和高选择性。Song等人(Journal of the American Chemical Society，2009，131(16)，5777)将PEI浸渍到SBA-15、MCM-41的介孔孔道中，在15KPa CO₂分压、75℃下分别获得了140、89.2mg/g的CO₂吸附量。申请号为201010586069.9的中国专利文献提出了一种聚丙烯亚胺负载改性的多孔硅胶和硅基有序介孔材料等，并将其用于CO₂、SO₂等酸性气体的吸附。虽然这些有机改性介孔材料一般都具有吸附容量大、吸附选择性高的优点，但是有机胺物理吸附在介孔材料中，改性吸附剂的热稳定性无法保证；并且介孔材料制备过程复杂，需大量的有机溶剂和模板剂，大大提高了生产和使用成本。

发明内容

本发明提供了一种用于吸附CO₂的改性钛纳米管吸附剂及其制备和应用。用有机胺修饰钛纳米管，有机胺的碱性氨基与钛纳米管的氢质子之间的化学结合比单纯的物理吸附更稳定，制得的改性钛纳米管吸附剂热稳定性好，较高温度下CO₂吸附容量高。

一种用于吸附CO₂的改性钛纳米管吸附剂，由有机胺负载在钛纳米管上构成，所述的有机胺的质量占所述改性钛纳米管吸附剂总质量的30～60％。

钛纳米管比表面积大，孔道丰富，有一定的吸附能力；有机胺富含有氨基基团，与CO₂等烟气中的酸性气体有很强的反应性。将有机胺负载在钛纳米管的孔道中形成复合吸附剂，其表面形成了丰富的CO₂亲和性氨基基团，提高了CO₂吸附能力；同时又能快速吸附脱附。钛纳米管结构中丰富的氢质子与有机胺的氨基化学结合，相比单纯的物理吸附更牢固，因此材料的热稳定性更好。

胺类负载要求钛纳米管有大孔容和大比表面积。钛纳米管作为基底材料，其结构特征直接影响改性剂的负载量，进而影响到CO₂的吸附容量。一种优选的技术方案，所述的钛纳米管内径为3.5～6nm，具有2～5层管壁，比表面积为300～550m²/g，孔容为0.8～1.2ml/g，所述的钛纳米管长度大于300nm。