一种二氧化碳吸附剂及其制备方法与应用

本发明涉及碳捕捉，更具体地，涉及一种二氧化碳吸附剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、当今社会发展的能源体系主要依赖煤炭、石油、天然气等化学能源。在能源转换过程中，会释放大量的二氧化碳，导致全球气候变暖，从而引发温室效应并引发自然灾害。根据目前的报道和商业应用，碳捕获、利用和储存(ccus)技术是一种非常有前景的碳中和方法，特别是应用于燃煤电厂、有色金属工厂等高排放行业。

2、在二氧化碳捕获方法中，金属氧化物因其简单、高效和经济可行性而备受关注。近年来，氧化镁(mgo)基于简单稳定的立方结构，以及与co2结合时形成无定形碳酸盐，使其成为一种备受推崇的ccus应用金属氧化物。此外mgo具有理想的理论吸附容量和环境兼容性，在过程工业中有着巨大的应用潜力。

3、目前在二氧化碳捕集领域，尤其是在大规模工业碳捕集中使用最多的液体吸附剂。目前液体二氧化碳吸附剂包括胺类溶液(如单乙醇胺，mea)、离子液体和功能化溶剂。这些材料通常具有较高的吸附容量和快速的吸附速率。离子液体由于其低挥发性和高热稳定性，逐渐成为研究热点。功能化溶剂例如胺类溶剂，通过在溶剂分子结构中引入特定的功能基团进而提升对二氧化碳的捕集能力。但液体吸附剂均存在着或多或少的问题，例如胺类溶液腐蚀性较强，容易对设备造成损害，需要频繁维护和更换；还会在吸附解吸过程中发生降解，进而大大影响吸附效率增加运行成本；除此之外还存在着再生能耗过大、产生有毒副产物和制备成本高昂的问题。

4、因此固体二氧化碳吸附剂凭借其较高吸附容量、稳定性、低能耗再生和环境友好的特性，成为碳捕集领域的重要研究方向。对于co2的捕集，利用氧化镁基吸附剂碳酸化/煅烧反应可以循环捕集co2。反应式如下：

5、mgo+co2→mgco3

6、mgco3→mgo+co2

7、镁基吸附剂主要通过化学吸附作用捕获co2，该过程涉及co2与吸附剂表面活性点之间的化学反应。传统的镁基吸附剂存在一些局限性，例如反应温度高、再生能耗大和吸附容量有限。

8、因此，不少研究者致力于开发新型镁基吸附剂，以提高其在环境温度下的co2吸附效率和降低成本。近年来，通过改性镁基材料的方法已经取得了一些进展，这些方法包括掺杂其他金属离子、使用多孔支撑材料和表面改性等。例如，通过将镁基材料与具有高孔隙率的多孔支撑材料(如活性炭、沸石或多孔硅)结合，可以提高吸附剂的比表面积和孔隙体积，从而增加其co2吸附能力。尽管通过这些方法改进的镁基吸附剂在实验室规模上表现出色，但它们在工业应用中仍面临一些挑战，尤其是针对吸附剂原材料的成本、易处理性和环境友好性方面。

9、目前针对氧化镁基吸附剂的制备方法主要分为湿化学法、溶胶凝胶法和气相沉积法。湿化学法通过溶液中的化学反应来合成氧化镁基吸附剂，可以通过调节反应条件如温度、压力、ph值和反应时间来控制产品的特性，该方法可能涉及使用有毒的化学物质，制备过程中产生的废物需要进行妥善处理，会对环境造成较大的负担。溶胶凝胶法(sol-gel)是通过前驱体的水解和聚合反应形成凝胶，经过干燥和热处理后得到镁基吸附剂，可以制备出结构均一且多孔的镁基吸附剂，但过程中可能会使用到高成本和有害的化学物质，而且制备周期较长能耗较高。气相沉积法是指在高温下将含镁的气体前驱体引入反应室，在基底上沉积从而得到镁基吸附剂，但气相沉积法需要在高温和低压环境下进行，这使得设备复杂且成本较高，而且气相沉积法速率较慢，这会在一定程度上影响生产效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种二氧化碳吸附剂及其制备方法与应用，采用固相混合法并通过将特定含量的海洋生物废弃物以及氧化镁进行混合，能够充分发挥各原料组分之间的相互配合及相互协同作用，并有效调控吸附剂材料的元素组成及微观结构，凭借易操作且低成本的制备方法，得到的新型二氧化碳吸附剂能够提升mgo的co2吸附能力和循环稳定性，可长期稳定地保持较高的二氧化碳吸附速率和吸附能力。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种二氧化碳吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将生物壳类材料清洗后进行干燥，得到预处理后的生物壳类材料；

5、(2)将所述预处理后的生物壳类材料进行研磨，得到贝壳粗粉；

6、(3)在保护气氛下，将所述贝壳粗粉进行煅烧，降为室温后对得到的煅烧产物进行研磨，得到贝壳微粉；

7、(4)将所述贝壳微粉和氧化镁固相混合，将混合后的产物在保护气氛下进行煅烧，再经研磨得到所述二氧化碳吸附剂。

8、可选的，步骤(1)中，所述干燥的温度为100℃～150℃；所述干燥的时间为12h～24h。

9、可选的，步骤(2)中，所述研磨具体包括以下步骤：将所述预处理后的生物壳类材料破碎后进行研磨1h～2h，随后选用600目～1200目的筛网筛出粉末，收集筛网中残余的生物壳类碎片再次进行研磨0.5h～1h，收集粉末，循环操作3次～6次。

10、可选的，步骤(3)中，所述煅烧包括：在200℃～400℃下煅烧1h～2h后，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至500℃～600℃下煅烧1h～2h。

11、可选的，所述贝壳微粉的粒径为40微米～125微米。

12、可选的，步骤(4)中，所述贝壳微粉和所述氧化镁的质量比为1：(1～9)。

13、可选的，步骤(4)中，所述煅烧包括：在200℃～400℃下煅烧1h～2h后，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至500℃～600℃下煅烧1h～2h。

14、可选的，所述二氧化碳吸附剂的粒径为40微米～125微米。

15、本发明还公开了一种如上述的制备方法制备得到的二氧化碳吸附剂。

16、本发明还公开了一种如上述的制备方法制备得到的二氧化碳吸附剂在捕集二氧化碳中的应用。

17、可选的，所述二氧化碳吸附剂用于空气、烟道气中对二氧化碳的吸附。

18、可选的，所述二氧化碳吸附剂吸附二氧化碳的温度为300℃～500℃。

19、实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

20、(1)本发明提出的新型镁基吸附剂的合成方法成本低且操作简单方便，首先吸附剂合成过程无需使用溶剂，反应过程更加环保，同时还选用了自然界中天然存在的物质经过简单处理后作为吸附剂掺杂物，这大大降低了吸附剂制备的成本。

21、(2)本发明提出的合成方法选用的固相反应法具有高选择性和高产率的优点，这是因为反应发生在固体之间，可以通过精确控制反应条件来优化产物的质量和数量。除此之外合成方法采用的固相反应法可以制备出粒径均匀，力度可控的材料，这对于许多工业应用来说是至关重要的一点。

22、(3)本发明提出的合成方法还可以避免或减少液相中易出现的硬团聚现象，在一般液相反应中，反应物质往往会形成硬团聚，而在该合成方法中，这种现象可以被有效地避免或减少，使得吸附剂的合成效率得到明显提升。

23、(4)本发明提出的简单易操作且低成本的镁基吸附剂合成方法制备出的吸附剂相较于mgo，吸附容量和循环稳定性均得到了提升。而且有效避免了液体吸附剂在合成和使用过程中会产生有害物质、腐蚀性强、且成本较高对环境有害的缺点。

24、(5)本发明采用固相混合法并通过将特定含量的海洋生物废弃物以及氧化镁进行混合，能够充分发挥各原料组分之间的相互配合及相互协同作用，并有效调控吸附剂材料的元素组成及微观结构，凭借易操作且低成本的制备方法，得到的新型二氧化碳吸附剂能够提升mgo的co2吸附能力和循环稳定性，可长期稳定地保持较高的二氧化碳吸附速率和吸附能力。

25、(6)本发明采用固相反应法，通过直接加热镁源与具有多孔结构、较大比表面积的生物壳类材料来制备镁基吸附剂，得到的粉体颗粒无团聚且填充性好，且操作简单，成本相对较低，适合大规模生产。

26、综上，本发明提出的新型低成本吸附剂制备方法以海洋生物废弃物为生产原料，来源广泛且低廉；生产过程工艺简单，适合大规模生产，避免了高毒性的溶剂。此外合成方法中采用的固相混合法无需使用溶剂，且其还具有高选择性和高产率、工艺过程简单、粒径均匀、力度可控、污染少、避免或减少液相中易出现的硬团聚现象、成本低等优点。