煤矸石基多孔硅材料的制备、改性及吸附二氧化碳性能的研究

摘要

CO2是一种重要的温室气体，其处理受到了广泛的研究。胺吸收法处理CO2的技术虽然研究、应用较早，也最为成熟，但具有腐蚀设备、再生能耗大、设备投入多等缺点。为此，基于碳捕集、利用(CCU)技术的思想，研究以三乙二醇+乙二胺(TEG+EDA)体系吸收CO2制备了CO2储集材料(CO2SM)，以CO2SM作为原料制备了固体吸附剂并应用于CO2的吸附过程。作为大宗固体废弃物，煤矸石来源广泛、成本低廉、硅含量丰富，可用作廉价的原料，制备多孔硅材料，并经EDA改性用于CO2吸附过程研究。以煤矸石和CO2SM为原料制备多孔硅材料并应用于CO2吸附的研究主要包括以下五个部分的内容。
　　研究以TEG+EDA体系吸收CO2制备了CO2SM，采用了X射线衍射光谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振碳谱(13C-NMR)、热重分析(TG-DSC)的表征手段分析了CO2SM为烷基碳酸铵盐结构。
　　以Na2SiO3和CO2SM为原料制备了硅酸钠基多孔硅材料，采用单因素实验、响应面分析法和正交试验优化了制备条件、分析了影响因素并建立了吸附数学模型。确定的最佳制备条件为50 mL0.5 M的Na2SiO3溶液、10 g CO2SM、80℃反应36 h，40-160目。硅酸钠基多孔硅材料吸附数学模型为CO2吸附量=16.69625-0.75105A-0.12953B+0.31221C-0.0059AB-0.011458AC-0.00127083BC+0.044460A2+0.001465B2-0.0017083，显著性的因素为A、C、AC、A2（A-CO2SM用量，g；B-反应温度，℃；C-反应时间，h）。
　　利用提硅液和CO2SM作为原料制备了煤矸石基多孔硅材料。以硅酸钠基多孔硅材料的最佳制备条件为基础，采用单因素实验与响应面分析法优化了煤矸石基多孔硅材料的制备条件为：50 mL0.5 M的提硅液、40 g CO2SM、80℃反应36 h，40-160目；并建立了吸附数学模型：CO2吸附量=-213.73300+3.02605A+1.59078B+5.37987C+0.009AB+0.007375AC+0.0000625BC-0.050760A2-0.011840B2-0.078531C2，显著性的因素为A2、B2、C2（A-CO2SM用量，g；B-反应温度，℃；C-反应时间，h）。
　　利用了FTIR、XPS、TG、TEM、SEM等表征手段分析了多孔硅材料的组成。多孔硅材料的主要成分为 SiO2，并含有吸附水、结合水及微量有机成分。硅酸钠基多孔硅材料由大量粒径在20–30 nm无规则形状的小颗粒堆积而成，平均孔径为29.983 nm，总孔体积为0.966 cm3·g?1，比表面积为114.653 m2·g?1；组成煤矸石基多孔硅材料的小颗粒是粘结在一起的近似球形颗粒，表面形貌均一，颗粒之间互相堆积形成的空隙构成了多孔硅材料内部的主要“孔道”结构，平均孔径为11.20 nm，比表面积为12.3419 m2·g?1，总孔体积为0.0497 cm3·g?1。
　　研究利用浸渍法使用EDA改性提高了最佳制备条件下多孔硅材料的吸附性能。25℃时，改性硅酸钠基多孔硅材料对8% CO2的吸附性能由9.74 mg/g提高至23.63 mg/g；改性煤矸石基多孔硅材料对8%CO2的吸附性能由9.02 mg/g提高至17.73 mg/g。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 二氧化碳的研究背景

1.2 煤矸石的研究背景

1.3 多孔硅材料的研究背景

1.4 选题依据和研究内容

第二章 实验方法

2.1 试剂和仪器

2.2 多孔硅材料的制备

2.3 CO2吸附研究

2.4 吸附研究的设计与分析方法

2.5 多孔硅材料的表征

第三章 煤矸石的提硅过程与CO2SM的制备

3.1 煤矸石热活化机理及最佳提硅条件

3.2 CO2SM的表征

3.3 本章小结

第四章 硅酸钠基多孔硅材料的制备及表征

4.1 制备硅酸钠基多孔硅材料条件的研究

4.2 响应面实验设计

4.3 正交试验

4.4 硅酸钠基多孔硅材料的表征

4.5硅酸钠基多孔硅材料的循环吸附及改性

4.6 本章小结

第五章 煤矸石基多孔硅材料的制备及表征

5.1 煤矸石基多孔硅材料制备条件的优化

5.2 响应面实验设计

5.3 煤矸石基多孔硅材料的表征

5.4 煤矸石基多孔硅材料的循环吸附及改性

5.5 本章小结

结论与建议

结论

建议

参考文献

致谢

附录

个人简历