煤矸石基多孔硅纳米材料的制备及吸附CO_2的研究

【摘要】：二氧化碳(CO_2)是重要的温室气体之一,它的过度排放引起全球气候变暖等严重后果,所以对CO_2的排放控制已经成为国内外研究热点。用固体吸附剂来捕获CO_2是最重要的方法之一,然而一些固体吸附剂成本高,对CO_2选择性低。因此,本文力求以固体废弃物煤矸石来制备吸附剂来解决上述固体吸附剂所存在的问题。煤矸石是煤矿在生产过程中所排放的大量固体废弃物,对水资源、土地资源以及空气带来污染,但是其含有大量的SiO_2,可用于化工产品的制备。本文通过焙烧-苛性碱溶出工艺来提取出煤矸石中的SiO_2,制得提硅液,与一些金属盐反应,制备多孔硅纳米材料(硅酸盐和复合硅酸盐),用以吸附CO_2。主要研究内容如下:首先,确定了提取煤矸石中SiO_2的最佳制备条件,提硅率可达到77.69%。以提硅液为硅源,基于单因素寻优以及响应面实验所确定的条件,制备了四种硅酸盐(MgSiO_3、MnSiO_3、CuSiO_3和ZrSiO_4)和三种复合硅酸盐(Mg_x-Mn_(1-x)-SiO_2、Mg_x-Cu_(1-x)-SiO_2和Mn_x-Cu_(1-x)-SiO_2)。其次,采用了傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射光谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面积测试(BET)、热重分析(TG-DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征手段系统分析了多孔硅纳米材料的结构。可知材料基本是由纳米级小颗粒堆积而成的多孔道无定型结构,且比表面积较高,有着较高的稳定性。最后,对多孔硅纳米材料吸附CO_2进行吸附相平衡和热力学研究。采用Langmuir及Freundlich模型对不同温度下的吸附数据进行拟合,可知材料对CO_2的吸附属于多分子层吸附,且材料表面不均一。通过热力学参数(ΔH_(ads),ΔS_(ads),Q~(st),ΔG_(ads))分析,可知对CO_2属于物理吸附,是放热、熵减小和自发进行的过程。经过10次吸附解吸循环实验,可以看出多孔硅纳米材料有着较为稳定的循环性能。四种硅酸盐在25~o C下对N_2进行吸附,吸附量是CO_2的1/39,表明多孔硅纳米材料对CO_2有很高的选择性。