温和位阻多胺捕集烟气CO2的空间助效机制

The key of capturing CO2 on a large scale is to lower the energy consuming in the process of CO2 capturing, which can be lowered seriously by improving the absorbances and their process parameters. Sterically hindered amine aqeous is considered as a promising absorbance who has a high CO2 loading , regeneration easily and high absorbance rate.This project focuses on the technical requirement of improving absorbance rate, and the mechanism of steric assistance of CO2 capturing with moderate sterically hindered amines is put forward in this paper. By studing C-chain length, effect of C-atom odevity on amine performance and the transformation process of chain amine to cyclic amine, an influence rule is obtained about absorption/desorption capacity ,amine reaction rate and chemical thermostability to C - chain length between functional groups. By studying the effect of the position of Substituent functional groups and functional group on amine performance, exploring how to promote absorption/desorption rate with the functional group with hydroxyl, alkyl, amino and saturated substituent and the reaction among these functional groups, synergistic effect between the amine structure and absorption capacity and antidegradation in the process of CO2 capturing is obtained. At last the the mechanism of steric assistance of CO2 capturing with moderate sterically hindered amines is disclosed, which provides a theorical instruction for developing an ideal absorbent with high absorption/ desorption capcity, high reaction rate, low regeneration energy and high antidegradation simultaneously.

降低捕集过程的能耗是实现大规模CO2捕集的关键，通过改进吸收剂及工艺参数可大幅度降低捕获CO2能耗。空间位阻胺水溶液由于具有CO2负载容量大、再生容易、较高的吸收速率而被认为是非常有前景的吸收剂。本项目围绕协同促进吸收速率的技术需求，提出了温和位阻多胺捕集烟气CO2的空间助效机制。通过研究C链长度及C原子奇偶数对胺性能的影响、链状胺向环状胺的转化过程，获得官能团之间碳链长度对胺吸收/解吸容量、反应速率及化学热稳定性的影响规律；通过研究取代基官能团及官能团取代位置对胺性能的影响，探索羟基、烷基、氨基和饱和环取代基官能团及官能团之间相互作用对吸收/解吸速率的促进途径，获得CO2捕获过程中胺结构与吸收容量及抗降解性之间的协同促进效应。最终揭示温和位阻多胺捕集烟气CO2的空间助效机制。为开发同时具有高吸收/解吸容量、高反应速率、低再生能耗、高抗降解性的理想吸收剂提供理论指导。

胺结构对CO2捕获行为的影响的深入认识，对于改进适用于CO2捕获需求的胺的特征具有重要的意义。胺的碱性强弱取决于N原子上未共用电子对和质子结合的难易程度，而N原子接受质子的能力，又与N原子上电子云密度的大小以及N原子上所连基团的空间阻碍有关，胺的水溶液还与其溶剂效应有关。(1) 氨基、羟基、环状胺等通常作为胺取代基官能团，由于性质不同、取代位置不同，将对胺吸收性能产生重要影响。利用气液平衡实和快速筛选两种实验手段，比较筛选方法对胺吸收剂性能评价的适用性，旨在通过合适的筛选方法筛选得到性能优越的吸收剂，用于指导工业实验。所有测量数据都与相同摩尔浓度MEA的数据进行对比，比较其循环容量、吸收速率、解吸速率等。（2）预测捕集CO2相关胺的pKa值的QSSG模型的建立。胺水溶液的pKa值与它和CO2的反应速率直接相关，因为它影响捕获过程的反应动力学及反应机理。一个快速和精确的pKa值预测方法可以为高效筛选CO2吸收剂提供捷径。考虑了电子效应、σ−p超共轭效应、溶剂效应、空间位阻效应和H键效应对pKa值的影响。建立了QSSG模型，使用纸笔官能团添加法对数据集中73种胺水溶液的pKa预测值和实验值进行了比较，大大提高了模型预测的精度，主要包括用于捕集CO2相关的胺/醇胺、环胺、多羟基胺、哌嗪衍生物和吗啉衍生物等。（3）胺的结构特征对胺吸收剂的吸收与再生性能具有重要的影响。探寻氨基官能团中N原子被不同程度取代、伯胺氨基官能团H原子被不同基团取代、直链多胺、环胺等不同影响因素对吸收和再生负载、吸收和再生速率、吸收和再生效率的影响机制。（4）多胺相变吸收剂的反应机理探析。研究了不同TEPA/ethanol/H2O比情况下吸收剂的CO2吸收情况，结果表明 1.6mol/kg TEPA-14%H2O-ethanol是比较理想的配比，该吸收剂反应后溶液中96.23%的CO2在下层的富相中，富相负载达到3.37mol/kg，为相同浓度的TEPA水溶液的1.47倍。对反应贫、富相产物进行了分析，大部分乙醇和水溶剂以及未完全反应的有机胺则在贫相产物中，基于贫富相密度及溶解度的差异，实现了贫、富相分层。