二次氨基改性层状双氢氧化物吸附捕集CO2

摘要

层状双氢氧化物是一种具有潜力的CO2吸附材料，它具有吸附选择性高、吸附温度范围广、吸附和脱附速率快等优点，但吸附容量偏低，严重限制了其进一步的工业化应用。氨基负载量是影响层状双氢氧化物CO2吸附容量的重要因素，通过氨基改性可有效提高其氨基负载量，进而提高其CO2吸附容量，但目前常用的氨基改性方法如阴离子表面活性剂法、剥落法等都难以进一步提高层状双氢氧化物的氨基负载量。因此，为提高层状双氢氧化物的氨基负载量，进而得到性能优良的CO2吸附材料，本文提出了二次改性的方法，制备了一系列的二次氨基改性层状双氢氧化物，利用XRD、FT-IR、SEM、BET、EA和TG等技术对其物化性质进行表征，通过热重分析法研究了其CO2吸附性能，采用ASPEN ADSORPTION对吸附过程进行模拟。
　　本文的主要研究内容及结果如下:
　　(1)研究了阴离子表面活性剂种类、氨基硅烷种类、氨基硅烷加入量、掺杂Ni和去离子水等因素对二次氨基改性层状双氢氧化物氨基负载量的影响。结果表明，阴离子表面活性剂离子结构越小，氨基负载量越大;氨基硅烷为N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷制备的二次氨基改性层状双氢氧化物氨基负载量较高;随着氨基硅烷加入量的增加，层状双氢氧化物的氨基负载量增大;掺杂Ni后，层状双氢氧化物的氨基负载量减小;剥落过程引入去离子水，随着去离子水量的增加，层状双氢氧化物的氨基负载量先增大后减小，去离子水量为0.30mL/g，阴离子表面活性剂为十二烷基磺酸钠，氨基硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷制备的Mg-Al0.30N1具有最大的氨基负载量为8.30mmol/g。
　　(2)研究了氨基负载量、吸附温度和吸附压力对二次氨基改性Mg-Al LDH CO2吸附性能的影响，考察了循环使用性能，探究了吸附机理。结果表明，剥落过程未引入去离子水，氨基硅烷通过Si-O键连接到层板表面，随着氨基负载量的增加，层状双氢氧化物的吸附容量和初始吸附速率增大，当氨基负载量为6.20mmol/g时，Mg-Al N2的CO2吸附容量高达2.26mmol/g，初始吸附速率为0.32mmol/(g·min);剥落过程引入去离子水，去离子水促进了氨基硅烷发生硅烷基聚合反应，此时氨基硅烷通过Si-O-Si的连接方式接枝到层板表面，随着氨基负载量的增加，层状双氢氧化物的CO2吸附容量先增大后减小，CO2初始吸附速率减小，当氨基负载量为7.06mmol/g时，Mg-Al N2的CO2吸附容量高达2.55mmol/g;在30～90℃的吸附温度下，温度越高，吸附容量越小;在0～0.1MPa的吸附压力下，压力越大，吸附容量越大;吸附剂循环使用5次后，其性能基本不变，显示了良好的重复使用性能;二次氨基改性层状双氢氧化物吸附CO2主要为化学吸附，吸附动力学可用拟二级动力学模型拟合，吸附机理符合两性离子机理。
　　(3)采用ASPEN ADSORPTION模拟吸附过程，结果表明，CO2的穿透时间为3000s，穿透时间随着压力的增大而延长;通过控制吸附脱附时间，可以达到不同的吸附效果。
　　本文将为开发具有良好CO2吸附性能的吸附材料提供实验和理论基础，对开发绿色、经济、高效的CO2捕集工艺有一定的借鉴意义。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．2．1 吸收法

1．2．2 吸附法

1．2．3 膜分离法

1．2．4 几种分离方法比较

1．3 层状双氢氧化物简介

1．3．1 层状双氢氧化物的组成与结构

1．3．2 层状双氢氧化物的性质

1．3．3 层状双氢氧化物的应用

1．4 层状双氢氧化物的制备方法

1．4．1 共沉淀法

1．4．2 水热合成法

1．4．3 成核／晶隔离法

1．4．4 其它方法

1．5 层状双氢氧化物的改性方法

1．5．1 煅烧还原法

1．5．2 离子交换法

1．6 氨基改性层状双氢氧化物捕集CO2的研究进展

1．7 本论文的研究意义及内容

2．1 实验试剂与仪器

2．2 实验方法与步骤

2．2．1 二次氨基改性层状双氢氧化物的制备

2．2．2 二次氨基改性层状双氢氧化物的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 晶体结构分析

2．3．2 表面官能团分析

2．3．3 表面结构分析

2．3．4 孔隙结构分析

2．3．5 氨基负载量测定

2．3．6 热稳定性分析

2．3 本章小结

第三章 二次氨基改性层状双氢氧化物吸附捕集CO2

3．1 实验方法

3．1．1 吸附容量测定

3．1．2 吸附速率测定

3．1．3 吸附脱附循环实验

3．2 结果与讨论

3．2．1 氨基负载量对CO2吸附效果的影响

3．2．2 温度对CO2吸附效果的影响

3．2．3 压力对CO2吸附效果的影响

3．2．4 吸附剂循环再生性能

3．2．5 吸附动力学研究

3．2．6 吸附热力学研究

3．2．7 吸附机理研究

3．3 本章小结

4．1 模拟软件简介

4．2 计算方法和模型选择

4．2．1 模拟吸附床微分计算方法

4．2．2 数学模型

4．2．3 吸附平衡模型

4．3 CO2吸附过程模拟

4．3．1 模拟流程图

4．3．2 模拟参数

4．3．3 模拟结果

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

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致谢