低共熔溶剂用于NH3捕集的实验研究

作     者：段秀智 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓东顺

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：低共熔溶剂 氨气 二氧化碳 吸收 选择性 

摘      要：氨气(NH)是应用广泛的基础化工原料,常用于肥料、塑料及诸多精细化工产品的制备。NH合成和使用环节中都涉及到含NH废气排放的问题,NH作为典型的环境污染气体,在大气中通过复杂的化学和物理过程参与酸雨和雾霾的形成,严重影响经济发展和人类的健康。因此,NH捕集既能实现大气防治,又能达到资源再利用,具有较好的经济价值和社会意义。捕集NH的关键是开发性能优异的吸收剂。虽然(酸)水能高效捕集NH,但生成低价值的无机铵盐或稀氨水;离子液体用于NH吸收的效果良好,但存在价格贵和制备过程复杂等不足。低共熔溶剂(DES)具有离子液体的诸多优点,具有原料易得、制备简单和毒性低等优点,为开发NH吸收剂提供了新途径。本文构建了多组新型的DES体系并用于NH吸收的实验研究,主要内容如下:以氯化胆碱(Ch Cl)为氢键受体(HBA),1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇和三氟乙酰胺为氢键供体(HBD),构建普通氯化胆碱型DES。采用等容饱和法测定303.15～333.15 K和0～550.0 k Pa下NH在氯化胆碱类DES中的溶解度,通过模型关联实验数据,获得了亨利常数H及标准吉布斯自由能ΔG、溶解焓ΔH和溶解熵ΔS。结果表明:Ch Cl-1,4-丁二醇体系对NH的吸收效果最好,氯化胆碱型DES吸收NH过程为自发的放热过程。甘油(Gly)作为来自生物柴油副产物的三元醇,具有量大价廉、生物相容性好和沸点高的特征。本文采用实验测定、模型关联、波谱分析和量化计算研究了甘油及其衍生物(DL-1,2-异丙基缩甘油、甘油缩甲醛、和3-甲氧基-1,2-丙二醇)对NH的溶解行为。结果表明,NH的溶解过程是自发放热的可逆过程,甘油及其衍生物中羟基是溶解NH的主要位点。为降低甘油的粘度,本文引入吡唑(Py)为HBA,构建非离子型甘油-吡唑DES。测定了293.15～313.15 K下、0～400.0 k Pa NH和0～600.0 k Pa CO甘油-吡唑DES中的溶解度,并实现模型关联。结果表明:吡唑的加入能大幅降低甘油的粘度,303 K时Gly-Py(1:1)DES的粘度为101 m Pa?s,远低于纯甘油的645 m Pa?s;293 K下,甘油-吡唑DES常压NH最大吸收容量为5.561 mol?kg,NH/CO的理想选择性为259。为了获得传质速率高、NH吸收容量大的DES,本文引入质子化的异硫氰酸胍(GI)作为HBA,配以乙酰胺(AT)为HBD,制备系列低粘度的GI-AT DES并用于NH吸收及分离的相关实验研究。结果表明:313 K下,GI-AT DES的粘度低于20 m Pa?s;常压NH吸收容量为3.762 mol?kg,NH/CO的选择性为130;NH吸收过程焓变低于25 k J?mol;吸收过程可逆且循环使用性能好。GI-AT DES具有较好的工业应用潜质。