基于离子液体特征的改进型胺溶液吸收CO2反应机理与动力学研究

It's of great significance to develop an efficient solvent for carbon dioxide absorption with large capacity and great rate of absorption，nonvolatility, low absorption enthalpy in terms of economy and availability . As a traditional absorbent, Aqueous amine is of large capacity and great rate of absorption as well as volatility and high absorption enthalpy. Ionic liquids are of nonvolatility and low absorption enthalpy, but small absorption capacity and expense are the great disadvantages. Therefore, it's a big challenge to develop an absorbent with both low cost and good absorption performance. The project intends to add imidazole substances to traditional amine solution to make a novel solvent for carbon dioxide absorption performing the characteristics of ionic liquids where CO2 reacts with the solvent. It also intends to carry out its reaction mechanism through NMR techniques and probe deeply the scientific laws of the process of absorption of carbon dioxide. Meanwhile, kinetic feature of the reaction process were investigetd through the establishment of reaction kinetic model with the help of the Stopped-flow Conductivity technology. The resarch results will provide a scientific fundmental for further improving and programming a new type of absorbents or building a new kinetic model for CO2 absorption, as well as a theoretical basis can be supplied for the industrial application of the modified amine solution with ionic liquid characters.

从经济实用的角度，开发出一种吸收容量大、吸收速率快、挥发难、吸收焓低的二氧化碳吸收溶剂具有重大的意义。传统的胺溶液具有较大的吸收容量、较快的吸收速率，但是较易挥发、吸收焓较高；而离子液体则很难挥发性、吸收焓较低，但吸收容量小，价格较为昂贵；因此开发出一种较为廉价而且具有良好的吸收性能的吸收溶剂是一大挑战。本项目拟在传统的胺溶液中加入咪唑类物质来改变其吸收特性，使两者相互作用所形成的新型吸收剂与二氧化碳发生化学反应的过程中既具有离子液体的特征，又具备传统胺溶液的特性。该研究拟通过核磁共振技术探讨离子液体型胺溶液与二氧化碳反应的机理，进而深入研究其吸收二氧化碳过程的科学规律；同时还采用电化学快速停留技术揭示该反应过程的动力学规律，并建立其反应动力学模型。研究结果将为进一步改进和设计新型的吸收溶剂或构建相关反应动力学模型提供科学基础，并为具有离子液体特性的改进型胺溶液的工业化应用提供理论依据。

开发出一种吸收容量大、吸收速率快、挥发难、吸收焓低的二氧化碳吸收溶剂具有重大意义。传统的胺溶液具有较大的吸收容量、较快的吸收速率，但是较易挥发、吸收焓较高；离子液体由于具有不易挥发、吸收焓比较低等优点而受到青睐，然而离子液体的吸收容量比较小，价格较为昂贵；因此开发出一种较为廉价而且具有良好吸收性能的吸收剂是当前CO2捕获研究领域的一个热点也是一大挑战。本项目通过在传统胺溶液中加入具有离子液体特性的咪唑类物质，降低了传统胺溶剂的挥发性的同时也降低了咪唑类物质的粘度。使两者相互作用形成的新型吸收剂与二氧化碳发生化学反应的过程中既具有离子液体的特征，又具备传统胺溶液的特性。本项目对1mol/L 的单一MEA和单一甲基咪唑、乙基咪唑、丙基咪唑和丁基咪唑的溶解度进行了研究，同时通过研究比较了MEA和MEA+甲基咪唑混合溶液在同一条件下对CO2吸收量的不同，推测了改进型胺溶液与CO2的反应机理，发现咪唑类物质能与生成的两性离子和质子化的胺发生质子转移反应置换出自由胺从而增加了改进型胺溶液对CO2的吸收容量。对四种不同类型的咪唑类物质与传统的MEA所形成混合溶剂体系的溶解度进行了研究。结果发现，丁基咪唑与MEA混合后的改进型胺溶液最优最优的吸收容量。通过对比丁基咪唑类的改进型MEA溶液和没有进行任何改进的MEA溶液的溶解度，发现在低分压条件下，改进型胺的吸收容量较MEA溶液要低一点，而在高分压条件下改进型胺溶液的吸收容量较传统的MEA吸收容量要大。项目同时用Stopped-Flow初步探究了甲基咪唑与MEA混合的改进型胺溶液的动力学常数。研究结果将为进一步改进和设计新型的吸收溶剂或构建相关反应动力学模型提供科学基础，并为具有离子液体特性的改进型胺溶液的工业化应用提供理论依据。