用于从气体混合物中分离CO2或NH3的碳纤维材料的制备方法、碳纤维材料及其用途技术

本发明专利技术涉及用于制备碳纤维材料的方法，该方法包括以下步骤：a)在合适的有机溶剂中制备聚丙烯腈溶液，b)对在a)中获得的溶液进行静电纺丝和干燥获得的纤维材料，c)通过在空气或氧气气氛中在150至350℃加热1至30h使获得的纤维材料交联；d)在惰性气体气氛中在500℃至2,500℃，优选600至900℃，甚至更优选800至875℃范围内的温度碳化获得的纤维材料，其特征在于，在步骤a)中不将硅、硫、金属化合物、金属间化合物、硅化合物和/或硫化合物添加至聚丙烯腈溶液中，和对获得的纤维材料不进行通过用化学试剂处理和/或施加拉伸应力的稳定化以及表面改性步骤。本发明专利技术还涉及能够通过上述方法获得的碳纤维材料，和涉及碳纤维材料，其特征在于，该碳纤维材料包含通过CO2吸附试验以及用DFT和GC

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于从气体混合物中分离CO2或NH3的碳纤维材料的制备方法、碳纤维材料及其用途


[0001]本专利技术涉及用于从气体混合物中分离CO2或NH3的碳纤维材料的制备方法、能够通过该方法获得的碳纤维材料、使用该碳纤维材料从气体混合物中分离CO2或NH3的方法、以及该碳纤维材料用于从气体混合物中分离CO2或NH3的用途。

技术介绍

[0002]目前，全球变暖是主要的环境问题之一。由于非常广泛地燃烧化石燃料用于能源生产和集约农业，大气中CO2的量持续急剧上升，导致问题如温室效应、极地冰帽和冰川融化以及海平面上升等。未精制的天然气和沼气也包含大量的CO2，必须将其在天然气和沼气可被送入天然气供应网络或用作能源之前进行捕集。
[0003]因此，正在加紧开发从废气如发电厂或工业废气中或从大气中除去CO2的技术，以避免这些负面的环境影响。可以将以这种方式提取的CO2存储在地下或海下(所谓的CCS技术(碳捕集与封存))，或可以将其进一步加工成工业用途的基础材料如合成气(CO/H2)、甲烷或乙烯。
[0004]已知从烟气中捕集CO2的若干方法，特别是所谓的燃烧后捕集，即用碳酸氢盐溶液(碳酸盐洗涤)、胺溶液(胺洗涤)、甲醇或可结合CO2的其他物质的洗涤方法(烟气脱硫的下游)。也已知所谓的氧燃料法，其中实际燃烧利用纯氧而不是空气进行，并且添加大量的CO2以防止燃烧温度上升过高。然后，烟气主要由CO2和水蒸气组成，水蒸气可容易地通过冷凝除去，使得合理地纯的CO2可被回收并返回到工艺中。
[0005]此外，使用在其上选择性吸附CO2的活性材料的CO2捕集技术是已知的。这些技术包括变压吸附方法和膜技术方法。还已知将低温蒸馏技术用于从气体混合物中分离CO2。
[0006]从气体混合物中分离氨(NH3)也越来越令人感兴趣，部分是因为可以将氨用于在氨燃料电池中产生能量。在迄今为止尚未被利用并且污染水体的生产废水、市政废水或发酵残余物中发现氨大量结合成铵。因此，已经在开发用于从氨燃料电池的气体中回收氨的膜蒸馏方法(例如，“氨转电”项目，AEEE)。这样的分离方法对于含氨的合成废气的后处理或对于在其中产生氨的电解槽或氨燃料电池的后处理是有利的(例如，亚琛工业大学与申请人合作的“电转氨”项目)。
[0007]在变压吸附方法中，将特殊的多孔材料(例如，沸石、活性炭)用作吸附剂。分离效果可以基于两种不同的原理：归因于平衡吸附的分离或归因于分子筛效应的分离。在第一种情况下，待分离组分之一发生比另一种更强的吸附，因此在气相中吸附较差的组分发生富集。在第二种情况下，某些分子更快地渗透吸附剂的多孔结构。如果此时使气体混合物流过反应器床中的吸附剂，则没那么快地渗透孔的组分需要较少的流过时间，也就是说，其更可能到达反应器床的出口。在升高的压力(通常6巴至10巴)下将气体引入填充有吸附剂的固定床反应器中，以使气体流过该反应器。此时吸附混合物的一种或更多种组分(这些被称为“重组分”)。在床的出口处可以浓缩的形式取出所谓的“轻组分”。稍后，吸附床很大程度
上饱和，并且一些重组分中也逸出。此时，阀切换该过程，从而关闭轻组分的出口和开启重组分的出口。这伴随着压力降低。在低压下，吸附的气体此时再次解吸并可在出口处回收。两个交替装料和排出的吸附剂允许连续操作。为了从吸附剂床中排出解吸的重组分的上层物质，用所需产物的一部分淋洗吸附剂以避免污染。根据所需的气体纯度来进行切换时间的精确调节。一种组分的增加总是以其可回收的量和另一种组分的纯度为代价。当解吸能低且浓度高时使用变压吸附。因此，将其应用于空气分离以回收N2(>99.9％)、O2(<97％)或氩气，以及回收/纯化氢气，例如用于燃料电池。另一应用是从沼气中除去CO2或从压缩空气中除去水。
[0008]膜技术被认为是用于分离多种气体和溶剂混合物的节能替代方案。具体实例包括气化反应的氢气分离和烃分离、沼气和垃圾填埋气升级、废气处理、甲烷纯化以及有机溶剂脱水。在这种情况下，无机微孔膜由于其热稳定性和化学稳定性而受到了深入的研究。候选膜包括二氧化硅、沸石、碳分子筛和石墨烯/氧化石墨烯膜。
[0009]原则上，膜分离可通过三种机理进行，即通过克努森(Knudsen)扩散、通过分子筛效应或通过溶液扩散。
[0010]聚合物膜通常是无孔的，因此气体通常通过溶液扩散机理渗透穿过它们。这基于特定气体在膜中的溶解度和它们穿过致密膜基质的扩散。在聚合物膜的情况下，也对在高于聚合物的玻璃化转变温度Tg下操作的类橡胶膜和在低于Tg的温度下操作的类玻璃膜进行了区分。
[0011]克努森分离基于某些气体分子通过膜孔，该膜孔足够小以阻止全部气体通过。
[0012]分子筛机理依赖于尺寸排阻来分离气体混合物。膜内的孔相对于气体分子的动力学直径具有严格控制的尺寸。这允许较小的气体分子以比较大的气体分子以高得多的速率扩散。
[0013]膜能够分离由具有不同动力学分子直径的组分组成的气体混合物，因为较大的分子被膜排阻，而较小的分子则通过膜。
[0014]用于气体分离的吸附剂主要是沸石和碳材料，此外还有MOF(金属
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有机骨架)和聚合物。碳吸附剂主要是高度多孔的活性炭材料，其除了具有高孔隙度之外，还具有对CO2吸附的一定选择性。为了提高这种选择性，碳材料的表面通常用碱如KOH浸渍。例如广泛使用来自以此方式浸渍的生物质的碳。例如已知碳化聚合物如碳化的聚吡咯、聚吲哚、三聚氰胺或脲树脂、PVDF是的CO2吸附剂。
[0015]聚丙烯腈纤维(下文称为PAN纤维)的胺官能化或碱浸渍的碳及其用于吸附CO2的用途也是已知的。(Hsiao,H.
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Y.，Huang,C.
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M.，Hsu,M.
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Y.和Chen,H.，Preparation of high
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surface
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area PAN
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based activated carbon by solution
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blowing process for CO
2 adsorption，Separation and Purification Technology，82，19
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27；10.1016/j.seppur.2011.08.006(2011))。例如通过对PAN溶液进行湿纺丝并随后进行碳化制得此类PAN纤维(Hsiao，同上，Shen,W.，Zhang,S.，He,Y.，Li,J.和Fan,W.，Hierarchical porous polyacrylonitrile
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based activated carbon fibers for CO
2 capture，J.Mater.Chem.，21，14036；10.1039/C1JM12585K(2011)；Li,L.等人，Nitrogen
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Enriched Porous 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于制备碳纤维材料的方法，所述方法包括以下步骤：a)在合适的有机溶剂中制备聚丙烯腈溶液，b)对在a)中获得的所述溶液进行静电纺丝和干燥获得的纤维材料，c)通过在空气或氧气气氛中在150至350℃加热1至30h使获得的纤维材料交联，d)在惰性气体气氛中在500至2,500℃范围内的温度碳化获得的纤维材料，其特征在于，步骤a)中不将硅、硫、金属化合物、金属间化合物、硅化合物和/或硫化合物添加至所述聚丙烯腈溶液，和对所述纤维材料不进行通过用化学试剂处理和/或施加拉伸应力的稳定化以及表面改性步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述有机溶剂选自DMF、DMSO、DMAC、丙酮、甲基乙基酮和乙醇及其混合物。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述溶剂是DMF。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中步骤a)中的所述溶液由溶剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫尔曼，
申请(专利权)人：于利希研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：