[發(fā)明專利]適用于超低濃度二氧化碳捕集的疏水性季銨聚合物吸附劑及其制備和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310242917.1
• 申請日: 2023-03-14
• 公開（公告）號: CN116422302A
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王濤;董昊;方夢祥;駱仲泱;高翔
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: B01J20/26
• 分類號: B01J20/26;B01J20/30;B01D53/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 高佳逸

本發(fā)明公開了一種適用于超低濃度二氧化碳捕集的季銨聚合物吸附劑及其制備方法和在吸附空氣中二氧化碳的應(yīng)用。制備方法包括：將季銨聚合物活性基體、骨架載體、造孔助劑和疏水性載體均勻分散在有機溶劑中，混均得到前驅(qū)體主料；將前驅(qū)體主料制成具有一定厚度的材料，然后靜置于大氣環(huán)境中自然固化成型，接著將其轉(zhuǎn)移至去離子水中進一步固化成型，得到未功能化的疏水性季銨聚合物吸附劑；將未功能化的疏水性季銨聚合物吸附劑置于堿金屬碳酸鹽溶液中，得到功能化后的疏水性季銨聚合物吸附劑。本發(fā)明吸附劑在高相對濕度條件下可表現(xiàn)出高二氧化碳吸附速率和吸附容量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及直接空氣二氧化碳(CO₂)捕集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于超低濃度(可低至400ppm以下)二氧化碳捕集的疏水性季銨聚合物吸附劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

在過去的半個多世紀里，冰川融化、海平面上升、極端天氣、臭氧消耗等全球自然氣候問題日益嚴重，應(yīng)對因溫室氣體大量排放造成的全球氣候變暖問題更是到了刻不容緩的程度。

作為負排放技術(shù)之一，直接空氣二氧化碳捕集技術(shù)(DAC)指通過捕集裝置直接從空氣中去除CO₂以降低大氣CO₂濃度，由于其低土地足跡、可靈活部署等優(yōu)勢，可以有效滿足移動源的碳減排需求，同時可以與CO₂利用、封存等后處理技術(shù)實現(xiàn)耦合，是富有前景的碳減排技術(shù)。

在當前主流DAC技術(shù)路線中，高溫溶液技術(shù)、變溫吸附技術(shù)由于其再生過程對熱源的高需求使得系統(tǒng)整體能耗偏高，不適用于未來低經(jīng)濟成本規(guī)劃下的工業(yè)化應(yīng)用。而常溫變濕吸附技術(shù)僅依靠水的蒸發(fā)自由能作為CO₂再生的能量來源，捕集全過程可在常溫環(huán)境下進行，無需額外熱量供給，大大降低了系統(tǒng)能耗，是適合工業(yè)化應(yīng)用的后備技術(shù)。此技術(shù)所用到的吸附劑以季銨聚合物的基體材料為主，其它材料如纖維素、殼聚糖類等也有相關(guān)研究，針對季銨聚合物吸附劑的研究開始較早，在多年的發(fā)展中不斷取得突破，是極具潛力的DAC材料。

然而，根據(jù)目前的研究，季銨聚合物吸附劑材料在高相對濕度(RH)的空氣環(huán)境中CO₂吸附性能表現(xiàn)較差。由于常溫變濕吸附技術(shù)的濕度波動特點，相關(guān)吸附劑均對濕度變化表現(xiàn)敏感，往往在高相對濕度條件下CO₂的吸附量很低或基本為零。這對于該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用是不利的，面對復雜多變的大氣實際環(huán)境，吸附劑材料需在溫度、濕度等條件的不斷變化中保持穩(wěn)定，CO₂吸附量需維持在可觀的水平。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-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合(RAFT)手段將含氟嵌段(疏水性片段)嫁接到一種季銨聚合物吸附劑上，并應(yīng)用于CO₂吸附，結(jié)果表明合成產(chǎn)物在20％～40％RH區(qū)間保持穩(wěn)定的CO₂吸附量，但在相對濕度超過60％RH后CO₂吸附量快速下降，且RAFT合成過程較為復雜、產(chǎn)率偏低，不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

因此，改善季銨聚合物吸附劑及其改性材料在高相對濕度條件下(通常指60％RH)的CO₂吸附性能是目前研究的重點。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述技術(shù)問題以及本領(lǐng)域存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種適用于超低濃度二氧化碳捕集的疏水性季銨聚合物吸附劑的制備方法，制備得到的疏水性季銨聚合物吸附劑可用于直接空氣二氧化碳捕集，該吸附劑在超低CO₂分壓(如400ppm)、廣泛的相對濕度范圍內(nèi)(20％～85％RH)均可快速、高容量吸附二氧化碳，且吸附劑依然保持變濕再生的特性，可在常溫或低溫熱輔助條件下實現(xiàn)CO₂再生，條件溫和、整體能耗低，適宜工業(yè)化應(yīng)用。