有机胺修饰介孔硅材料的CO2吸附性能研究

摘要

温室效应引起的日益严重的环境问题引起了世界范围内的关注，是21世纪面临的重大挑战。大多数研究者认为大气中 CO2浓度的增高是导致温室效应的主要原因。为了降低大气中日益增加的CO2浓度，研究者提出碳捕捉及储存（Carbon Capture and Sequestration，CCS）技术。碳捕捉材料作为其中重要的一环，引起了研究者的极大关注。介孔硅材料以其均一的孔径及孔体积、高的比表面积和易调的孔结构及表面性能，在吸附催化领域有广泛的应用。本文首先合成具有不同孔径的介孔硅材料，然后对其进行有机胺修饰并研究其CO2吸附性能。本研究主要内容包括：
　　⑴正庚烷和三甲基苯（TMB）作为扩孔剂均可以扩大有序介孔材料SBA-15的孔径，但同时会导致介孔材料有序度降低。以三甲基苯作为扩孔剂，介孔材料仅在TMB质量很低的时候具有结构有序性；而正庚烷做为扩孔剂，介孔材料仅在合成温度较低的时候具有结构有序性。
　　⑵采用聚乙烯亚胺（PEI）对具有不同孔结构的介孔硅材料进行浸渍改性以增加介孔材料的碱性位，提高 CO2吸附量。PEI修饰的介孔材料的CO2吸附性能和温度、负载量及孔结构有关。介孔材料的CO2吸附量随着温度的升高、负载量的增加而提高，当达到一个最大值后开始降低。CO2吸附量随着介孔材料孔体积的增加而提高，这主要是由于在同等负载量的条件下孔体积大的样品可以提供更多吸附位点，扩散阻力也较小。
　　⑶CO2的吸附是一个热力学和动力学共同起作用的过程。当处于最佳吸附温度时 CO2吸附量达到最高，此时热力学与动力学协同作用使 CO2吸附处于最佳条件。研究发现在两个作用力共同影响下最佳吸附温度随着负载量的增加向高温方向移动。模板剂 P123可以提高 CO2吸附量，但模板剂同时影响孔结构，模板剂过多会引起孔体积减小，降低胺负载量，导致 CO2吸附量降低。在两个因素共同影响下，本研究中模板剂最佳质量占比约35％。
　　⑷以氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）、二乙烯三胺（DETA）、四乙烯五胺（TEPA）与PEI协同修饰介孔材料。发现 APTMS可以分散 PEI，提高吸附剂低温时的CO2工作吸附量。CO2工作吸附量随着 APTMS质量的增加而增长，但进一步增加会降低。四乙烯五胺（TEPA）的加入可延长完全吸附时间，提高 CO2吸附工作量。CO2工作吸附量随 TEPA质量的增加而提高，这主要是由于TEPA含氮量和PEI相似，且烷基链可以起到分散PEI的作用。
　　⑸以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂，乙醇-水或乙二醇乙醚-水为共溶剂，制备介孔硅球。以接枝法对介孔硅球进行修饰并研究其 CO2吸附性能。研究发现接枝法修饰介孔硅球的CO2吸附量随温度升高而增长，但达到一个最大值后开始降低。吸附剂的最大吸附值为1.99 mmol/g，最佳吸附温度为55℃。

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第1章碳捕捉及碳捕捉材料概述

1.1引言

1.2碳捕捉技术概述

1.3碳吸附材料研究现状

1.4介孔硅材料的合成

1.5介孔硅材料用于CO2的捕捉

1.6本论文研究思路及研究内容

第2章实验及表征

2.1实验试剂及制备仪器

2.2表征方法

2.3碳吸附性能测试

第3章介孔硅材料孔结构对CO2吸附性能的影响

3.1引言

3.2介孔硅材料的制备及表征

3.3介孔硅材料的CO2吸附性能

3.4结论

第4章介孔硅材料模板剂对CO2吸附性能的影响

4.1引言

4.2吸附剂的制备

4.3结果和讨论

4.4结论

第5章介孔硅材料混合胺对CO2吸附性能的影响

5.1引言

5.2吸附剂的制备

5.3结果与讨论

5.4结论

第6章介孔硅球的CO2吸附性能研究

6.1引言

6.2实验

6.3结果与讨论

6.4结论

第7章结论及展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录

致谢