基于AMP的新型三元非水固-液相变吸收体系的构建及捕集二氧化碳

The solid-liquid phase-change absorbents (SLPCAs) has huge energy-saving potential associated with the solvent regeneration. However, the existing SLPCAs are confronted with the defects of difficult dissociation of CO2 reaction products and easy volatilization of the solvent. In this proposal, a novel ternary non-aqueous SLPCA is proposed, which can feature not only tunable phase change ability, but also good CO2 capture performance and low solvent loss. To develop this novel non-aqueous SLPCA, the sterically hindered amine of 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) is selected as the main absorbent to ensure the superior regenerability of the system; the specific organic solvent with high boiling point and low volatility functions as the phase-change accelerant to induce solid-liquid separation; the organic nucleophilic base serves as the deprotonation activator to improve the CO2 absorption performance. For this new SLPCA, the optimal proportion, CO2 capture performance and phase-change property will be investigated. Meanwhile, the CO2 capture mechanism and phase-change essence will be clarified by various characterizations and analysis methods. Moreover, the kinetics study of CO2 absorption will be explored to establish the mass transfer model, by which the reaction rate constant and the enhancement factor can be obtained. The process parameters of CO2 capture by this novel system will be optimized, and the energy consumption associated with the solvent regeneration will be estimated. Finally, the economy of this process will be assessed comprehensively by comparing with traditional amine solvents.

固-液相变体系捕集CO2具有很大节能潜力，但现有体系存在吸收剂再生困难和溶剂易挥发的缺陷，本项目创新性地提出构建一种新型三元非水固-液相变体系，既可实现非水相条件下的可控固-液相变，又能保证低溶剂损耗和高CO2捕集性能。体系构建中，选用2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）作为主吸收剂，因其空间位阻效应，保证体系优异的再生性能；高沸点、低蒸气压的特定有机溶剂作为分相试剂，确保吸收剂吸收CO2后易发生固-液相变，且再生时溶剂不易挥发；亲核性有机碱作为CO2吸收反应的去质子活化剂，可大幅提升该体系CO2吸收性能。以CO2捕集性能和分相特性为指标，优化组成和配比，确定最佳的三元非水固-液相变体系；分析各组分及中间产物在固、液两相中的形态及变化规律，阐明该体系捕集CO2的相变本质及反应机理；考察该体系捕集CO2的反应过程及动力学特性，建立传质-反应动力学模型；优化吸收-解吸工艺，并估算其再生能耗。

本项目研究了三元非水固-液相变吸收体系（AMP/PZ/DME）用于CO2捕集，并从AMP/PZ/DME相变吸收剂的CO2捕集性能、反应机理、动力学特性以及再生能耗等方面展开探索。主要研究工作和结果如下：（1）2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）/哌嗪（PZ）/二丙二醇二甲醚（DME）可用于构建三元非水固-液相变吸收体系。总胺浓度为1 mol/kg，AMP和PZ的摩尔比例为7：3时，吸收剂具有较优的CO2吸收性能和分相性能，CO2吸收负荷可达0.87 mol CO2/mol胺，94%的CO2富集于下层固体产物中，且下层体积仅占吸收液总体积的43%。在120℃，30 min条件下再生后，吸收剂的再生效率可达92%以上，且经过四次吸收-解吸再生循环，该吸收液的再生效率仍保持在82%以上。反应机理表明，AMP/PZ/DME吸收CO2后上层为DME，下层为AMP氨基甲酸盐、PZ氨基甲酸盐等反应产物。其中，AMP作为主吸收剂，可保证CO2的吸收容量；PZ作为活化剂，可提升反应速率；DME则可调控固-液相变的产生。（2）借助经典分子动力学阐明吸收剂的相变机理。在DME溶剂的影响下，氨基甲酸酯产物具有高晶格能、低溶解度。同时，产物分子间可形成的强氢键相互作用力，因此，CO2吸收饱和的产物以晶体粉末状固体的形式逐渐从溶液中析出，产生固-液分相的现象。吸收过程中，固体产物聚集在吸收液底部，上层溶液CO2分压降低，吸收反应平衡向产物生成的方向移动，有利于吸收剂保持良好的吸收性能。（3）传质反应动力学研究结果表明，AMP/PZ/DME吸收CO2为快速拟一级反应，其总反应速率常数（kov），增强因子（E）均随着温度的升高而增大；总传质阻力均随着温度和负荷的增加而增大，较高的反应温度可促进吸收；液相的传质阻力是影响吸收速率的主要因素。（4）对再生能耗进行评估，结果表明，吸收剂的再生能耗低至1.61 GJ/t CO2，较传统乙醇胺（MEA）溶液降低了58%，其低再生能耗主要归因于较低的解吸反应热和潜热。