[IPDAH][Im]-H2O二元固液相变吸收剂捕集CO2的研究

作     者：郑亚梅 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕碧洪;苏清发

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：碳捕集 [IPDAH][Im] 固液相变吸收剂 反应及相变机理 再生能耗 

摘      要：碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是我国实现“双碳目标的重要技术组成部分,其关键环节是从燃煤电厂等排放的烟气中捕集二氧化碳（CO）。两相吸收剂因节能潜力巨大,被认为是理想的CO捕集吸收剂。离子液体固液双相吸收剂捕集CO具有高CO负载量和低能耗的优点,其相变行为通过相分离剂进行调控。然而,添加有机分相剂往往导致富液粘度增加,或再生时分相剂易挥发损耗等。本研究创新地提出以异氟尔酮二胺-咪唑盐（[IPDAH][Im]）为活性组分,水作为溶剂构建新型二元固-液相变离子液体吸收剂。该吸收剂无需添加分相剂,在水相中吸收CO后即可发生固-液分相,且产物为易分离再生的粉末固体。该新型吸收剂兼具了高吸收负荷和低再生能耗的优势,并避免了添加分相剂导致的富液粘度高、溶剂挥发损耗的问题。研究从吸收剂的捕集性能、固液相变特性、固体形态、反应及相变机理等方面展开探索,并计算该吸收剂的再生能耗。主要研究结果如下:（1）构建了[IPDAH][Im]-HO二元固液相变吸收剂。研究采用酸碱中和法一步合成[IPDAH][Im]离子液体,当[IPDAH][Im]-HO的浓度为1 mol L时,在温度为40~oC下吸收CO可以在70 min内达到平衡,吸收负荷可达1.26 mol·molILs,富相占总体积的60%并富集了91%的CO。吸收前后溶液粘度分别为1.86m Pa·s、1.35 m Pa·s。利用XRD表征测定了CO固体产物结构为白色晶体形态。利用STA表征测试了CO固体产物热稳定性,进而考察了吸收剂的再生性能。富相的固体产物在120~oC下加热再生90 min,再生效率可以达到96.31%,吸收循环6次之后仍保持在80%以上,CO循环负载达到0.93 mol molILs。（2）借助C NMR表征和量子化学计算阐明吸收剂捕集CO反应及相变机理。在CO吸收过程中,[IPDAH][Im]中阴阳离子的伯胺、仲胺均能与CO反应,保证体系高CO负载量。[Im]优先与CO反应形成氨基甲酸酯,最终完全水解成HCO/CO和Im;[IPDAH]（RNH）基于两性离子机理与CO反应形成氨基甲酸酯（RNHCOO）,[IPDAH]接受质子生成[IPDAH]。在解吸过程中,HCO/CO优先受热分解,部分HCO/CO与RNH反应形成RNCO,之后与H反应生成RNH释放CO;H质子促进再生反应过程。借助量子化学计算,在水作为溶剂的二元体系中,吸收饱和产物为离子对产物,ILs H-ILs COO的结合能力强于ILs H-HCO;离子液体“极性可逆特性和固体产物高的晶格能,结合CO产物间高的汉森溶解度参数和强氢键相互作用力;因此,高密度的CO产物以晶体粉末状的形态向下层水溶液自聚析出,水和Im主要存在于上层贫相溶液。（3）[IPDAH][Im]-HO体系捕集CO的再生能耗估算。[IPDAH][Im]-HO相变吸收剂的再生反应热为0.84 GJ tCO,比30 wt%MEA溶液(1.77 GJ tCO)下降了52.54%;再生显热为0.39 GJ tCO比MEA降低了56.67%;再生能耗为1.23 GJ tCO,比传统MEA吸收剂(3.77 GJ tCO)降低了67.40%。原因是再生液的体积大幅降低,降低了吸收剂的显热;有机胺的高沸点和低蒸气压物理特性,且无溶剂参与避免了溶剂的挥发损失,再生潜热部分可忽略不计;吸收剂的CO循环负荷高,降低了再生反应热。