本發(fā)明涉及一種水化硅酸鈣納米材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于直接碳捕集領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、化石燃料的使用有助于推進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程及滿足人們的生活需求，但作為不可再生能源的化石能源不僅造成能源枯竭，同時燃燒過程中有大量co2氣體排出,造成溫室效應(yīng)等一系列嚴(yán)重危害。

2、碳捕集利用與封存(ccus)技術(shù)主要包括co2捕集、co2利用和co2封存三個環(huán)節(jié)，其中co2捕集是核心環(huán)節(jié)，也是能耗與成本較高的環(huán)節(jié)。如何提高捕集效率、降低捕集成本是當(dāng)前國際研究熱點。co2捕集技術(shù)按捕集方法可分為吸收、吸附、膜分離及新型二氧化碳捕獲等。液體吸收法已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，傳統(tǒng)胺類溶劑因其對co2具有優(yōu)良的溶解能力和快速的吸收速率，目前成為工業(yè)應(yīng)用上較為成熟的co2捕集方法。但胺類溶劑具有溶劑揮發(fā)損失大、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重等問題導(dǎo)致投資和運行成本較高，嚴(yán)重限制了其廣泛使用。其他co2捕集技術(shù)的成熟度仍有待進(jìn)一步提升，如固體吸附尚處于工業(yè)示范階段，膜分離、化學(xué)鏈燃燒和直接空氣捕集技術(shù)處于中試階段，電化學(xué)捕集技術(shù)處于基礎(chǔ)研究階段。而直接空氣捕集法(dac)指是一種直接從大氣中捕獲二氧化碳的技術(shù)。它采用特定的化學(xué)或物理方法，將空氣中的二氧化碳分離出來，進(jìn)而進(jìn)行儲存或利用。dac能在較低co2濃度下直接進(jìn)行碳捕集，適用范圍廣、使用條件低等優(yōu)點使其成為一大研究熱點。

3、dac二氧化碳濃度直接影響著捕集成本，濃度越高成本越低。自然界空氣中的二氧化碳濃度比工業(yè)煙氣稀薄得多，捕集環(huán)境更不可控。這使得dac不僅技術(shù)本身難度高，捕集材料投入高和能源需求也更多。因此研發(fā)一類成本低、二氧化碳濃度吸收范圍廣的捕獲劑對于推進(jìn)dac技術(shù)至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的第一目的是提供一種成本低、能在較低co2濃度下直接碳捕獲的水化硅酸鈣納米材料。本發(fā)明的第二目的是提供一種該水化硅酸鈣納米材料的制備方法，本發(fā)明的第三目的是提供該水化硅酸鈣納米材料在碳捕集中的應(yīng)用。該水化硅酸鈣納米材料制備簡單、條件溫和，能夠在低至空氣中co2濃度下，實現(xiàn)直接碳捕集行為。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述一種水化硅酸鈣納米材料，所述水化硅酸鈣納米材料包括溶質(zhì)水化硅酸鈣(c-s-h)和總?cè)軇w系，總?cè)軇w系中包含十六烷基三甲基溴化銨(ctab)，其中，水化硅酸鈣與總?cè)軇w系的摩爾百分比為0.8～1.2mmol/ml，十六烷基三甲基溴化銨與總?cè)軇w系的固液比x為0＜x≤0.030g/ml。

3、進(jìn)一步地，水化硅酸鈣與總?cè)軇w系的摩爾百分比為1.0mmol/ml，十六烷基三甲基溴化銨與總?cè)軇w系的固液比x為0.005≤x≤0.025g/ml。

4、進(jìn)一步地，所述水化硅酸鈣納米材料為棒狀或塊狀。

5、進(jìn)一步地，十六烷基三甲基溴化銨與總?cè)軇w系的固液比x為0.0125＜x≤0.030g/ml時，水化硅酸鈣納米材料為棒狀，優(yōu)選0.015≤x≤0.030g/ml，更優(yōu)選0.025g/ml。

6、進(jìn)一步地，十六烷基三甲基溴化銨與總?cè)軇w系的固液比x為0.0125g/ml左右時，水化硅酸鈣納米材料為棒狀與塊狀的過渡狀態(tài)。

7、進(jìn)一步地，十六烷基三甲基溴化銨與總?cè)軇w系的固液比x為0＜x＜0.0125g/ml時，水化硅酸鈣納米材料為塊狀，優(yōu)選0＜x≤0.010g/ml，更優(yōu)選0.005g/ml。

8、一種本發(fā)明所述水化硅酸鈣納米材料的制備方法，包括以下步驟：

9、(1)在去除二氧化碳的溶液中加入硅酸鈉和ctab，超聲分散，在氮氣保護(hù)下，加熱攪拌，得到硅酸鈉混合溶液；

10、(2)向硅酸鈉混合溶液中加入cacl2，加熱回流反應(yīng)；

11、(3)將步驟(2)得到的溶液加入氨水調(diào)整ph，沉淀析出后離心收集，冷凍干燥，即得水化硅酸鈣材料。

12、進(jìn)一步地，步驟(1)中，溶液為水或含水的溶液。

13、進(jìn)一步地，步驟(1)中，超聲分散的時間為10min以上。

14、進(jìn)一步地，步驟(1)中，加熱攪拌是加熱到50～80℃、在800～1200rpm下攪拌0.5h以上，優(yōu)選70℃。

15、進(jìn)一步地，步驟(2)中，加入的cacl2為cacl2固體或去除二氧化碳的cacl2水溶液。

16、進(jìn)一步地，步驟(2)中，cacl2與硅酸鈉的摩爾比為1～2：1。

17、進(jìn)一步地，步驟(2)中，加熱回流反應(yīng)是在60～80℃、800～1200rpm反應(yīng)4～8h。

18、進(jìn)一步地，步驟(3)中，調(diào)節(jié)ph為11～14。

19、進(jìn)一步地，步驟(3)中，冷凍干燥的溫度為-30～-50℃，冷凍干燥的時間為6～12h。

20、本發(fā)明還包括所述水化硅酸鈣納米材料在直接碳捕集中的應(yīng)用。

21、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點：

22、(1)本發(fā)明提供的水化硅酸鈣材料由氯化鈣、硅酸鈉、ctab制備而成，其制備方法簡單靈活，成本低廉可以應(yīng)用于商用化直接碳捕集材料；

23、(2)本發(fā)明提供的直接碳捕集水化硅酸鈣材料性能良好，無毒且能穩(wěn)定存在且運行；

24、(3)本發(fā)明提供的直接碳捕集水化硅酸鈣材料充分結(jié)合了ctab作為表面活性劑對于c-s-h的納米結(jié)構(gòu)調(diào)控，能夠在二氧化碳濃度低至0.03％的寬捕獲范圍進(jìn)行碳捕集，碳捕集質(zhì)量占比高達(dá)26％；

25、(4)本發(fā)明提供的直接碳捕集水化硅酸鈣材料能夠?qū)Νh(huán)境中普通二氧化碳濃度做出響應(yīng)，在未來商業(yè)化碳捕集材料上因價格低廉、制備方法簡單從而有巨大的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種水化硅酸鈣納米材料，其特征在于，所述水化硅酸鈣納米材料包括溶質(zhì)水化硅酸鈣和總?cè)軇w系，總?cè)軇w系中包含十六烷基三甲基溴化銨，其中，水化硅酸鈣與總?cè)軇w系的摩爾百分比為0.8～1.2mmol/ml，十六烷基三甲基溴化銨與總?cè)軇w系的固液比x為0＜x≤0.030g/ml。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水化硅酸鈣納米材料，其特征在于，所述水化硅酸鈣納米材料為棒狀或塊狀。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水化硅酸鈣納米材料，其特征在于，十六烷基三甲基溴化銨與總?cè)軇w系的固液比x為0.0125＜x≤0.030g/ml時，水化硅酸鈣納米材料為棒狀。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水化硅酸鈣納米材料，其特征在于，十六烷基三甲基溴化銨(ctab)與總?cè)軇w系的固液比x為0＜x＜0.0125g/ml時，水化硅酸鈣納米材料為塊狀。

5.一種權(quán)利要求1～4任一項所述水化硅酸鈣納米材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，溶液為水或含水的溶液，超聲分散的時間為10min以上，加熱攪拌是加熱到50～80℃、在800～1200rpm下攪拌0.5h以上。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，加入的cacl2為cacl2固體或去除二氧化碳的cacl2水溶液，cacl2與硅酸鈉的摩爾比為1～2：1。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，加熱回流反應(yīng)是在60～80℃、800～1200rpm反應(yīng)4～8h。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，調(diào)節(jié)ph為11～14，冷凍干燥的溫度為-30～-50℃，冷凍干燥的時間為6～12h。

10.權(quán)利要求1～4任一項所述水化硅酸鈣納米材料在直接碳捕集中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種水化硅酸鈣納米材料及其制備方法和應(yīng)用。該水化硅酸鈣納米結(jié)構(gòu)材料包括水化硅酸鈣(C?S?H)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，其中，CTAB對于總?cè)軇w系中的質(zhì)量百分比為大于0小于等于0.025g/mL，CSH對于總?cè)軇w系中的摩爾百分比為0.8～1.2mol/L。該水化硅酸鈣納米材料實現(xiàn)了低成本直接碳捕集，可在二氧化碳濃度較低的環(huán)境下較快進(jìn)行捕集，且制備簡單、性能穩(wěn)定。

技術(shù)研發(fā)人員：羅洋輝,孫思微
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2