基于碳酸酐酶催化特性的改进型胺溶液吸收二氧化碳过程反应机理及动力学研究

The development of a high absorbent capacity, fast reaction rate, less volatile, low enthalpy of carbon dioxide absorption is a very interesting research direction in cabon dioxide capture. The conventional amine solution having a large capacity of carbon dioxide absorption, fast rates of absorption, however, easily volatile, higher absorption enthalpy; Carbonic anhydrase has a good stability in amine solution, can accelerate the rate of hydration and reduce the absorption of carbon dioxide enthalpy, but more expensive; therefore, it is a big challange to develop a relatively inexpensive and good absorption properties of the absorbent. The project intends to combine carbonic anhydrase with blended amine solution that is a mixture of new tertiary and primary amine solvents, allowing the formation of new improved absorbent, in of which the interacting of each other can improve the absorption capacity, also ,absorption rate as well as lower desorption energy consumption. The objective of this study is to investigate the catalytic reaction mechanism of carbonic anhydrase in blended amine solution by nuclear magnetic resonance techniques, then, in-depth study of scientific laws of carbon dioxide absorption process; while also reveals the feature of the reaction kinetics by use of electrochemical techniques, combined vapor-liquid equilibrium model and establish a new kinetic model. The results will provide scientific basis and theoretical basis for improvement or design of carnon dioxide ansorbents based on the catalytic properties of carbonic anhydrase in industrial application.

开发出一种吸收容量高、反应速率快、难降解、吸收焓低的二氧化碳（CO2）吸收溶剂对化学吸收法捕获CO2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，但是吸收速率慢、产物易降解，吸收焓较高；而碳酸酐酶稳定性好，能够加快CO2的水合速率同时降低吸收焓，但价格较为昂贵。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一大挑战。本项目拟在新型叔胺和伯胺混合溶剂中加入碳酸酐酶，使三者相互作用所形成的新型改进型吸收剂既具有高的吸收容量同时具有较快的吸收速率和较低的解吸能耗。该研究拟通过核磁共振技术探讨碳酸酐酶催化混合胺溶液与CO2的反应机理，进而深入研究其吸收CO2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，结合气液平衡模型，建立反应动力学模型。研究结果将为改进和设计新型的CO2吸收溶剂提供科学基础并为基于碳酸酐酶催化特性的改进型胺溶液的工业应用提供依据

开发出一种吸收容量高、反应速率快、难降解、吸收焓低的二氧化碳（CO2）吸收溶剂对化学吸收法捕获 CO2 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，但产物易降解，吸收焓较高；而碳酸酐酶稳定性好，能够加快 CO2的水合速率同时降低吸收焓，但价格较为昂贵。本项目拟开发新型胺吸收剂，并耦合碳酸酐酶提高叔胺溶液吸收CO2的速率。探究了操作条件对DEAB溶液平衡溶解度和动力学性能的作用规律，并建立了相应的溶解度模型和动力学模型且均具有较高的预测性；利用电化学快速停留仪（stopped-flow）探究不同混合胺溶液吸收CO2的动力学，建立了将伯胺的三分子机理和叔胺的碱催化水解机理结合形成的新动力学模型，较其他模型具有更好的预测性；且发现了混合胺吸收CO2过程中各组分间存在交互作用机制。以胺溶液与CO2反应机理为基础，结合碳酸酐酶的化学结构及催化机理，开展碳酸酐酶催化胺溶液吸收CO2反应机理研究及反应动力学参数的测定；深入研究不同条件下碳酸酐酶催化胺溶液的CO2吸收速率的影响，实验结果表明碳酸酐酶可明显提高反应速率常数。研究结果将为改进和设计新型的CO2吸收溶剂提供科学基础，并为基于碳酸酐酶催化特性的改进型胺溶液的工业应用提供依据。在本项目研究过程中，共发表高水平SCI论文66篇，已申请发明专利2件，且均已授权；共培养毕业博士研究生2名，毕业硕士研究生6名，毕业博士后1名。