埃洛石纳米管负载制备有机/无机杂化材料及其捕获分离二氧化碳机制研究

In this project, halloysite nanotubes (HNTs) were used as efficient supports for immobilization of polyethyleneimine (PEI) to prepare a kind of novel organic / inorganic hybrid material. By efficient activation of the natural mineral material and the PEI loading basing on the plentiful natural nano-pore channels of HNTs, the loaded amino-group could be effectively increased, and the selectivity and the adsorption capacity for carbon dioxide could be availably raised, and the optimal fabricating technique of solid amine sorbent would be obtained. Furthermore, there would be unprecedented advantage of synthetic cost for the cheapness, easy access and excellent adsorption characteristic of HNTs, which would be beneficial to the scaled-up production and the industrial application of the capture and separation materials for carbon dioxide. Moreover, deep investigation of the carbon dioxide capture mechanism of the solid amine sorbent loaded with HNTs might help to clarify the adsorption and regeneration mechanism of the carbon dioxide, and establish the dynamical adsorption model for determining the optimal regeneration technology for the sorbents in practical application. Therefore, this study is original and has both academic importance and practical value.

本项目利用埃洛石纳米管负载聚乙烯亚胺制备有机/无机杂化材料，通过对天然矿物材料的纳米特性的有效激活，基于HNTs自身天然形成的丰富纳米孔道结构负载聚乙烯亚胺（PEI），预期可以有效提高负载的氨基量，从而提高吸附二氧化碳的选择性和吸附容量；通过改变PEI的负载方式，预期可以获得更优的固态胺吸附剂制备工艺；再者，HNTs来源于廉价易得的天然矿物，结合其自身优异的吸附特性，其负载PEI制备的固态胺吸附剂，在合成工艺成本上将具空前的优势，从而更有利于二氧化碳捕获分离材料的规模化生产和工业应用；此外，深入探讨HNTs负载制备的固态胺吸附剂捕获二氧化碳的机制，有助于弄清实际应用中二氧化碳的吸附及再生机理，便于建立动态吸附模型以确定最佳吸附材料再生工艺条件，解决工业化应用问题。因而本研究具有较好的原创性，重要的学术意义和实用价值。

随着工业化的发展，CO2过量的排放严重导致全球气候变暖。然而，CO2又作为一种重要的碳资源，其分离捕集技术一直以来受到国内外的广泛关注。因此，开发出一种高效、低能耗、低成本的CO2吸附剂可以很大程度上提高吸附分离技术在常温常压中的适用性。.本项目首次以天然粘土矿物为基体，其具有储量资源丰富，安全无毒，环保价廉的优点；选取的天然粘土矿物如埃洛石纳米管、凹凸棒石具有粒径小、比表面积大、微孔丰富等独特的性质，对天然粘土矿物进行活化提纯后，分别采用浸渍法和接枝法，利用富氨基改性剂如聚乙烯亚胺等制备固体胺吸附剂，用于CO2的捕获分离研究。通过优化实验方法，改进实验工艺，探讨富氨基改性剂的结构、分子量、用量等因素对CO2吸附能力的影响，得出最佳反应条件。研究固体胺吸附剂合成机理以及CO2吸附机理，从而可获得用于CO2捕获与分离的低成本、高吸附率、易于再生的固态胺吸附体系。对于埃洛石固体胺吸附剂体系，使用聚乙烯亚胺含量为30%吸附剂饱和吸附二氧化碳，每克聚乙烯亚胺最大二氧化碳吸附量为156.6 mg/g-PEI；使用聚乙烯亚胺含量为35%吸附剂饱和吸附，每克吸附剂最大吸附容量为54.8 mg/g-adsorbent。这种新型二氧化碳吸附剂在80℃左右下具有较高的稳定性，多次吸附-解析循环实验表明它具有稳定的重复使用性能。此外，分别采用浸渍法和接枝法合成了凹凸棒石基固体胺吸附剂体系，结果表明：氨基功能化ATP材料都要优于天然纳米ATP，尤其在PEI负载量为25%时，常温常压下达到最大吸附量（39.03 mg CO2/g adsorbent），远远高于未改性ATP（21.47 mg CO2/g adsorbent）；通过TG-DSC和TG-IR图谱可知，ATP-PEI吸附材料的热稳定性好，并且具有较低的CO2脱附温度（84℃），有助于吸附剂的再生，从而降低能耗成本；ATP-25 wt% PEI吸附剂经过20次的CO2吸附脱附循环过程，其吸附性能稳定。.本项目利用天然纳米矿物材料负载大分子胺类制备有机/无机杂化材料，通过对天然矿物材料的纳米特性的有效激活，预期可以有效提高吸附二氧化碳的选择性和吸附容量，并且所制备的吸附剂环保价廉；此外，深入探讨其捕获二氧化碳的机制，具有重要的学术意义，并有助于解决工业化应用问题。