一种捕集和固定CO2的复合材料及制备方法、CO2吸收装置

本发明属于固碳材料，具体涉及一种捕集和固定co2的复合材料及制备方法、co2吸收装置。

背景技术：

1、烟气中co2的大量排放会导致一系列负面影响，包括加剧温室效应与全球变暖、加速海洋酸化、污染大气环境、抑制植被生长、加重土壤与地下水酸化、加大环境治理压力等。这不仅破坏生态平衡，也是对可再生资源的极大浪费，使得大量co2资源被白白排放掉。

2、当前，对于烟气中co2的捕集已经有比较多的相关研究以及应用，例如有物理溶剂吸收法、化学溶剂吸收法、变压吸附法(psa)、膜分离法和液化精馏法等，但这些方法有的会产生废液等难以二次利用的废料，有的工艺较复杂，不适用于烟气脱碳。对于co2的固定，目前也有比较多的可行方案，例如地质封存、矿化、生物吸收等方法。然而，这些方法不仅成本比较高，副产物的经济价值很低，且多用于对已经收集的co2气体进行固定。而工业烟气净化系统多采用化学溶剂吸收或者物理溶剂吸附来收集co2，上述co2固定方案需要将吸附剂进行再生并分离出co2才能进行下一步的固定，而溶剂再生又会产生能耗并排放co2。可见，现有的co2捕集与固定方案多是分开进行，技术关联度不紧密，而且从捕集到固定的过程中还会产生大量的碳排放，co2的固定效率比较低。

3、捕集并固定烟气中的co2面临许多困难，包括co2浓度低、烟气流速快、含杂质气体竞争吸附、再生能耗高、转化利用难、材料稳定性差、设备成本高等。克服这些困难的关键在于开发高选择性材料、优化反应动力学、提升再生效率、增强材料稳定性、降低设备成本、实现烟气准确组分调控，还需从co2捕集与材料的设计层面进行规划，形成从捕集到利用的完整产业链，以实现烟气中co2的高效节能捕集与资源化高价值利用。

4、因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对当前工业生产大量排放co2导致全球变暖的严峻形势，提供一种捕集和固定co2的复合材料，实现co2的高效捕集与固定，解决现有的co2固定技术效率比较低、成本高、产生额外碳排放的问题，降低co2对环境的负面影响。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种捕集和固定co2的有机-无机复合材料，按重量份计，包括如下成分：

4、水泥20～50份、固碳水性环氧树脂5～20份、集料30～150份和水3～20份，其中，所述固碳水性环氧树脂为水性环氧树脂与吸收co2后的水性环氧树脂固化剂反应得到。

5、优选的，所述固碳水性环氧树脂的制备方法，包括如下步骤：

6、步骤一、将一级胺、二级胺、三级胺、芳香胺、杂环胺、肼类化合物、聚胺基化合物中的一种或几种搅拌均匀，得到单体a，备用；

7、步骤二、向单体a中通入含有co2的工业烟气，当出气量达到进气量的99％时停止反应，得到固碳水性环氧树脂固化剂，备用；

8、步骤三、将水溶性环氧树脂、自乳化环氧树脂、分散性水性环氧树脂中的一种或几种混合均匀，得到固碳水性环氧树脂前驱体，备用；

9、步骤四、将固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体混合，使固碳水性环氧树脂前驱体固化，得到固碳水性环氧树脂。

10、优选的，所述水泥包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥中的一种或几种；所述集料包括河砂、海砂、机制砂和碎石中的一种或几种。

11、优选的，步骤四中，固碳水性环氧树脂固化剂与固碳水性环氧树脂前驱体的混合比例为：按照活性氢当量:环氧当量比为(1.2～1.4):1混合。

12、优选的，步骤一中，

13、一级胺包括脂肪族一级胺和/或芳香族一级胺；

14、二级胺包括脂肪族二级胺、环状二级胺和芳香族二级胺中的一种或几种；

15、三级胺包括脂肪族三级胺；

16、芳香胺包括单环芳香胺和/或多环芳香胺；

17、杂环胺包括饱和杂环胺和/或不饱和杂环胺；

18、肼类化合物包括单取代肼、二取代肼和三取代肼中的一种或几种；

19、聚氨基化合物包括线型聚氨基化合物和/或网络聚氨基化合物。

20、优选的，步骤一中，

21、所述脂肪族一级胺包括甲胺、乙胺、丙胺和丁胺中的一种或几种；

22、所述芳香族一级胺包括苯胺、对甲苯胺和对氯苯胺中的一种或几种；

23、所述脂肪族二级胺包括二甲基胺、二乙基胺和二异丙基胺中的一种或几种；

24、所述芳香族二级胺包括n-甲基苯胺和/或n-乙基对甲苯胺；

25、所述脂肪族三级胺包括三乙胺、三丁胺和三异丙基胺中的一种或几种；

26、所述单环芳香胺包括苯胺、甲苯胺和萘胺中的一种或几种；

27、所述多环芳香胺包括二甲基联苯胺和/或氨基萘；

28、所述饱和杂环胺包括四甲基乙二胺和/或三亚乙基四胺；

29、所述不饱和杂环胺包括吡咯烷胺和/或咔唑胺；

30、所述单取代肼包括甲肼和/或乙肼；

31、所述二取代肼包括二甲基肼和/或二乙基肼；

32、所述三取代肼包括三乙肼和/或n-氨基肼；

33、所述线型聚氨基化合物包括乙二胺四乙醇、三亚甲基六胺；

34、所述网络聚氨基化合物包括三取代肼如三乙肼和/或n-氨基肼。

35、本发明还提出了任一上述的一种捕集和固定co2的有机-无机复合材料的制备方法，包括如下步骤：

36、s1、按配比称量各组分原料，备用；

37、s2、将水泥、集料混合均匀，得到干料；

38、s3、将固碳水性环氧树脂固化剂、固碳水性环氧树脂前驱体和水混合，再加入干料，搅拌混合均匀后形成浆体，即得。

39、本发明还提出了一种co2吸收装置，用于固碳水性环氧树脂固化剂的制备，所述co2吸收装置包括吸收罐，所述吸收罐的顶部设有进液口、出气口，所述吸收罐的底部设有进气口、出液口，所述吸收罐的内部设有与进气口连通的微孔曝气器，所述吸收罐的侧面设有循环装置，所述循环装置用于使吸收罐内不同高度的液体发生交换，含有co2的工业烟气从所述进气口进入吸收罐，经过所述微孔曝气器雾化后从出气口排出。

40、优选的，所述微孔曝气器的孔径10～100μm，材质选自陶瓷、钢和塑料。

41、优选的，所述循环装置包括循环泵、循环泵进液管、循环泵出液管，所述循环泵进液管将循环泵的入口与吸收罐的底部连通，所述循环泵出液管将循环泵与吸收罐的上部连通，所述循环泵的内衬、叶轮和进出口选用碳钢、不锈钢、钛合金或陶瓷材质。

42、有益效果：

43、(1)本发明采用活性胺吸附co2，具有吸收容量大、动力学快速、操作简便、设备投资低等优点，可通过控制胺类型和用量适应不同烟气条件，并对烟气中的co2进行靶向吸附；同时，本发明针对胺吸附co2存在再生能耗高、胺性能衰减、再生系统复杂、副产物处理复杂等问题，创造性地采用活性胺作为水性环氧树脂的固化剂，并作为混凝土添加剂使用，吸附了co2的活性胺与环氧树脂的反应活性有所降低，能够减缓水性环氧树脂的固化，以适应混凝土的固化时间；在反应过程中，会同步释放co2，这些co2会瞬间被水泥水化中所产生的金属阳离子、水化硅酸钙、氢氧化钙等补集吸收固定，形成微纳结构的碳酸钙，促进了水泥的水化进程，提高混凝土的致密度与耐久性；另一方面，吸附了co2的活性胺与水性环氧交联固化的过程在水泥石中形成了网络互穿的水性环氧树脂胶膜，大大提高了有机-无机复合材料的延展性、耐久性、粘结力。

44、(2)本发明提供的有机-无机复合材料，通过有机-无机组分的协同作用提高co2的富集效率和化学转化率，降低再生能耗，增强材料稳定性，能够为co2的减排利用提供新思路，构建材料技术与环保的有效结合，助力应对气候变化，实现绿色低碳发展；

45、(3)本发明采用活性胺吸附co2并作为水性环氧树脂的固化剂，对胺结构的要求比较低，经济性好，并避免了需要改进胺结构、开放新溶剂的较高门槛，并能够替代昂贵的环氧树脂固化剂，降低了材料成本，具有较强的经济性与竞争力；

46、(4)本发明提供的有机-无机复合材料，解决了吸附剂再生的问题，并有效控制有毒氨气的产生，使烟气治理产物被循环再利用于建材生产；

47、(5)本发明提供的一种co2吸收装置，通过在吸收罐内设置微孔曝气器用于气液交换，并采用下进气、气液逆流的进料方式，使烟气进入吸收罐后分散为大量微小气泡，并扩散到单体a中，使气液接触更加充分，提高传质效率，并使co2在单体a中分布更加均匀，避免co2局部浓度过高导致反应产物析出，提高co2与单体a的反应转化率，从而提高co2捕集效率和回收率，降低单体a用量，该装置结构紧凑，操作简便，适合工业烟气中的co2脱除，具有良好的经济效益和环境效益。