新型两相二氧化碳吸收剂的研究

CO2 capture, utilization, and storage (CCUS) is the most effective way to control the CO2 emissions at present stage. The key problem of CCUS is the CO2 separation technology, which core is the absorption solvent which can absorb CO2 with low energy requirement and high efficiency. Biphasic solvent, with great potential to lower the regeneration energy, is becoming the important research area. The research on biphasic solvent, however, is insufficient in the solvent design, phase separation mechanism, mass transfer between phases, and reaction mechanism. The key scientific problem of proposed project is the designing method of biphasic solvent, and the CO2 capture mechanism with low energy consumption. The main research contents are (a) biphasic solvent design, characteristics study and performance assessment; (b) thermal dynamics and kinetics of biphasic solvent; and (c) modelling of the thermal dynamics and kinetics of the CO2-solvent system. The solvent design and modelling are based on quantum chemistry, and adopt density function theory and others. Experimental study adopts vapor liquid equilibrium facility, wetted wall column and some other facilities. The main creative points may include the biphasic solvent design, theoretic model of the CO2-biphasic solvent system, and the CO2 capture mechanism with low energy consumption.

CO2的捕集、利用和封存是现阶段见效最快的控制CO2排放的一种手段，其中CO2的分离回收技术是关键，而高效、低能耗吸收剂的研究是核心问题。而两相吸收剂具有节约再生能耗的巨大潜力，成为重要的研究方向之一。目前两相吸收剂在设计原则和方法；分层机理；交互传质和反应机理等方面的深入研究方面仍然显得不足。本项目将着重解决是CO2两相吸收剂设计方法与低能耗捕集机理这一关键科学问题。主要研究内容包括新型两相吸收剂设计、性能研究及评价；两相吸收剂捕集CO2的热力学和动力学特性；CO2－吸收剂多相体系的热力学与动力学理论模型。研究方法以量子化学为指导，采用密度泛函理论等方法，设计新型两相吸收剂，并开展模型研究；采用气液平衡实验系统、湿壁塔等实验装置进行热力学和动力学的实验研究。预计本项目的主要创新有提出两相吸收剂的设计方法；建立CO2-吸收剂多相体系的理论模型；提出两相吸收剂低能耗捕集CO2的机理。

碳捕集和封存（CCS）被认为是解决温室效应的重要技术手段。化学吸收法是目前相对成熟的二氧化碳捕集技术，但其存在解吸能耗高、吸收剂流失、变性、腐蚀等缺点，这使得新型吸收剂研发成为了研究热点。本项目选择了[Bmim][BF4]-MEA-H2O这一离子液体-有机胺混合水溶液体系进行研究，该体系中，离子液体的引入可以改良吸收剂性能，且该吸收剂在一定浓度条件下为液液两相吸收剂，具有减少能耗的优势。.项目通过吸收解吸实验，测定了不同浓度的该吸收剂的吸收速率、贫富液担载量、循环担载量等数据，指出了[Bmim][BF4]的引入对吸收性能的影响。定量碳谱核磁共振法的分析表明氨基甲酸盐的浓度增加是导致液液分层现象的直接原因，并揭示了液液分层机理，指出了分层后CO2反应产物的富集现象，定量描述了分层的物质迁移规律。测定了[Bmim][BF4]-MEA-H2O溶液体系的密度、粘度、物理溶解度数据，并使用半经验公式对数据进行回归分析。分析指出离子液体[Bmim][BF4]的引入在一定浓度范围内并不会导致吸收剂粘度的急剧增大，而且会提高吸收剂的CO2物理溶解度。利用脉冲梯度场核磁共振技术测定了[Bmim][BF4]-MEA体系和[Bmim][BF4]- MEA-H2O体系的自扩散系数，分析了温度、浓度等因素的影响以及扩散活化能的变化规律，并对离子存在状态做出了分析和推断。研究从扩散的角度论证了H2O在该吸收剂中的存在意义，H2O的存在可以明显改善溶液的扩散性质。对解吸能耗的估算表明，当[Bmim][BF4]质量分数大于30%时，解吸能耗的显热部分可减小30%左右。项目并利用双膜理论，计算了气液传质系数。结果表明CO2担载量的增加会带来液相传质系数的减小，并发现了液液分层现象的出现会导致液相传质性能的突变。基于对该吸收剂的系统研究，对该液液两相吸收剂的浓度筛选做了系统分析。