【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及二氧化碳捕集与封存(ccs)，具体涉及一种基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料及其制备方法，属于环境工程、固体废弃物资源化及绿色低碳技术的交叉领域。
技术介绍
1、随着全球气候变化问题日益严峻，二氧化碳(co2)作为主要的温室气体之一，对环境的负面影响越来越明显。为了有效减少co2的排放，二氧化碳捕集与封存(ccs)技术逐渐成为全球范围内应对气候变化的重要策略之一。然而，现有的co2封存技术在经济性和可持续性方面存在诸多挑战，尤其是封存效率不高、成本昂贵以及长时间稳定性不足等问题。此外，随着全球工业化的迅猛发展，工业副产物如粉煤灰的排放量逐年增加，如何将这些废弃物高效、环保地资源化利用，已成为工业和环保领域亟待解决的重要课题。
2、粉煤灰是燃煤电厂的主要废弃物，含有丰富的硅、铝及活性氧化钙等成分，具备与co2发生矿化反应的潜力。粉煤灰矿化封存co2不仅能够有效减排温室气体，还能实现固体废弃物的资源化再利用。然而，传统粉煤灰矿化co2技术在反应效率和产物稳定性方面仍然存在较大改进空间。为了提高co2的封存效率、加快反应速率，并提升产物的稳定性和附加值，研究更为高效的催化剂、多功能辅助材料以及创新的矿化反应工艺势在必行。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料及其制备方法，该方法简单，原料成本低廉，所制备的多功能复合材料不仅能够显著提高co2的封存效率，还能确保生成稳定的碳酸盐产物，同时实现粉煤灰这一工业副产物
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料，由以下质量重量份的原料组成：经等离子体活化处理的粉煤灰70-85份、纳米级金属氧化物催化剂3-7份、金属有机框架功能化有机配体zif-8型mof 5-10份、智能ph调节剂聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物1-2份、固体悬浮稳定剂3-5份、高纯水10-20份；
3、所述经等离子体活化处理的粉煤灰中含有50-65wt％的sio2、20-30wt％的al2o3和5-15wt％的cao；
4、所述纳米级金属氧化物催化剂的制备过程为：按配比依次分别称取氧化钙、氧化镁、氧化锌，球磨混合得到混合粉末，经高温煅烧形成复合氧化物，再将复合氧化物置于石墨烯分散液中，超声分散，石墨烯均匀包覆在复合氧化物表面即得纳米级金属氧化物催化剂；
5、所述固体悬浮稳定剂为聚乙烯醇或改性聚乙烯吡咯烷酮。
6、进一步的，所述经等离子体活化处理的粉煤灰的处理过程为：在无尘环境中收集粉煤灰，筛分去除大块杂质后，放入等离子体反应器中，通入氧气，氧气流量为10-50l/min，调整等离子体发生器功率为500-1500w，在800-1200℃下处理1-2h，自然冷却至室温。
7、进一步的，所述金属有机框架功能化有机配体zif-8型mof的制备过程为：准确称取作为金属盐的硝酸锌和作为有机配体的2-甲基咪唑放入反应瓶中，锌离子与2-甲基咪唑之间的摩尔比为1：2，加入去离子水调节ph至3-6，在恒温水浴中80-120℃进行水热合成反应12-48h，反应结束后自然冷却，离心分离得到mof材料，将mof材料用无水乙醇洗涤3-5次并在60-80℃下真空干燥12-24h。
8、优选的，所述氧化钙、氧化镁、氧化锌之间的摩尔比为1：(0.5-1.5)：(0.3-1)；球磨混合2-4h；煅烧温度为800-900℃，煅烧时间为2-4h；超声分散1-3h；石墨烯分散液的浓度为5-15mg/ml。
9、优选的，所述聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物中丙烯酸与丙烯酰胺之间的质量比为1：(0.8-1.2)，所述聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物的分子量为5-10万。
10、优选的，所述聚乙烯醇的分子量为10-30万；所示改性聚乙烯吡咯烷酮的改性过程为：以二乙烯基苯作为交联剂，在引发剂作用下与聚乙烯吡咯烷酮发生化学交联反应，交联度控制在5％-15％
11、为实现上述目的，本专利技术还提供了一种上述基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料的制备方法，包括如下步骤：
12、s1、将经等离子体活化处理的粉煤灰、纳米级金属氧化物催化剂、金属有机框架功能化有机配体zif-8型mof与高纯水按比例搅拌混合，在搅拌过程中加入固体悬浮稳定剂，搅拌均匀形成悬浮液，搅拌时间为30-60min；
13、s2、将悬浮液置于高压反应釜内，控制反应温度为40-80℃、压力为5-10mpa，在超声条件下通入co2气体，进行矿化反应2-6h；矿化过程中，利用智能ph调节剂聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物动态调控反应环境的ph值为7-9；
14、s3、将步骤s2所得的反应液以3000-5000rpm的转速离心30-60min，将矿化产物从悬浮液中高速离心分离出来，接着将沉淀物置于冷冻干燥机中，在-40℃至-20℃下干燥12-24h，获得超细纳米级碳酸盐固体材料，即多功能复合材料。
15、优选的，步骤s2中，采用分级温度控制，反应初期控制反应温度为60-80℃，反应1-3h；再降温至40-50℃，反应1-3h。
16、进一步的，步骤s2中，预先配制成质量浓度为5％-10％的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物水溶液作为智能ph调节剂，智能ph调节剂在悬浮液加入高压反应釜前加入。
17、优选的，步骤s2中，超声波振荡频率为20-40khz；co2气体流量为10-50ml/min。
18、与现有技术相比，本专利技术所制备的的复合材料具有以下优点：
19、(1)高效的co2捕集与矿化能力：本专利技术中纳米级金属氧化物催化剂能够提高催化剂的导电性和表面活性，进而显著提升co2的矿化效率；金属有机框架功能化有机配体采用具有三维多孔结构的金属有机框架(mof)材料，以增强其对co2分子的吸附能力和选择性；本专利技术通过纳米级金属氧化物催化剂和金属有机框架功能化有机配体的协同作用，显著提高了co2的捕集能力和矿化反应速率，从而实现了高效的co2封存。
20、(2)优异的化学稳定性：本专利技术矿化产物为纳米级碳酸盐微粒，其主要成分为碳酸钙和碳酸镁，其纯度不低于95％，粒径范围为10-100纳米，具有高结晶度、高比表面积和优异的化学稳定性，且能耐受较大范围的温度变化和酸碱环境，适用于高端建筑材料、储能材料和环境修复领域。
21、(3)绿色环保：本专利技术利用工业副产物粉煤灰作为主要原料，实现了废弃物的资源化利用，减少了环境污染和资源浪费。
22、与现有技术相比，本专利技术制备方法具有以下优点：
23、(1)等离子体活化处理：本专利技术粉煤灰通过高温等离子体处理，增强了粉煤灰的表面活性，提高了其与co2的反应能力，从而优化了矿化反应动力学性能；
24、(2)超声波增强技术：本专利技术在矿化反应过程本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料，其特征在于，由以下质量重量份的原料组成：经等离子体活化处理的粉煤灰70-85份、纳米级金属氧化物催化剂3-7份、金属有机框架功能化有机配体ZIF-8型MOF 5-10份、智能pH调节剂聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物1-2份、固体悬浮稳定剂3-5份、高纯水10-20份；
2.根据权利要求1所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料，其特征在于，所述经等离子体活化处理的粉煤灰的处理过程为：在无尘环境中收集粉煤灰，筛分去除大块杂质后，放入等离子体反应器中，通入氧气，氧气流量为10-50L/min，调整等离子体发生器功率为500-1500W，在800-1200℃下处理1-2h，自然冷却至室温。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料，其特征在于，所述金属有机框架功能化有机配体ZIF-8型MOF的制备过程为：准确称取作为金属盐的硝酸锌和作为有机配体的2-甲基咪唑放入反应瓶中，锌离子与2-甲基咪唑之间的摩尔比为1：2，加入去离子水调节pH至3-6，在恒温水浴中80-120℃
4.根据权利要求1或2所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料，其特征在于，所述氧化钙、氧化镁、氧化锌之间的摩尔比为1：(0.5-1.5)：(0.3-1)；球磨混合2-4h；煅烧温度为800-900℃，煅烧时间为2-4h；超声分散1-3h；石墨烯分散液的浓度为5-15mg/mL。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料，其特征在于，所述聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物中丙烯酸与丙烯酰胺之间的质量比为1：(0.8-1.2)，所述聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物的分子量为5-10万。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料，其特征在于，所述聚乙烯醇的分子量为10-30万；所示改性聚乙烯吡咯烷酮的改性过程为：以二乙烯基苯作为交联剂，在引发剂作用下与聚乙烯吡咯烷酮发生化学交联反应，交联度控制在5％-15％。
7.一种如权利要求1所述的基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，采用分级温度控制，反应初期控制反应温度为60-80℃，反应1-3h；再降温至40-50℃，反应1-3h。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，预先配制成质量浓度为5％-10％的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物水溶液作为智能pH调节剂，智能pH调节剂在悬浮液加入高压反应釜前加入。
10.根据权利要求7或8所述的一种基于粉煤灰矿化封存CO2的多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，超声波振荡频率为20-40kHz；CO2气体流量为10-50mL/min。
...【技术特征摘要】
1.一种基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料，其特征在于，由以下质量重量份的原料组成：经等离子体活化处理的粉煤灰70-85份、纳米级金属氧化物催化剂3-7份、金属有机框架功能化有机配体zif-8型mof 5-10份、智能ph调节剂聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物1-2份、固体悬浮稳定剂3-5份、高纯水10-20份；
2.根据权利要求1所述的一种基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料，其特征在于，所述经等离子体活化处理的粉煤灰的处理过程为：在无尘环境中收集粉煤灰，筛分去除大块杂质后，放入等离子体反应器中，通入氧气，氧气流量为10-50l/min，调整等离子体发生器功率为500-1500w，在800-1200℃下处理1-2h，自然冷却至室温。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料，其特征在于，所述金属有机框架功能化有机配体zif-8型mof的制备过程为：准确称取作为金属盐的硝酸锌和作为有机配体的2-甲基咪唑放入反应瓶中，锌离子与2-甲基咪唑之间的摩尔比为1：2，加入去离子水调节ph至3-6，在恒温水浴中80-120℃进行水热合成反应12-48h，反应结束后自然冷却，离心分离得到mof材料，将mof材料用无水乙醇洗涤3-5次并在60-80℃下真空干燥12-24h。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于粉煤灰矿化封存co2的多功能复合材料，其特征在于，所述氧化钙、氧化镁、氧化锌之间的摩尔比为1：(0.5-1.5)：(0.3-1)；球磨混合2-4h；煅烧温度为800-900℃，煅烧时间为2-4...
【专利技术属性】
技术研发人员：辛海会，罗超，白广余，高天昊，刘金虎，李剑锋，汪善好，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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