氨基功能化的开关型离子液体捕集CO2的特性及机理

Switchable ionic liquids (SILs) are a novel class of non-aqueous absorbents that can switch from molecule liquids to ionic liquids upon chemical capture of CO2, and company with increasing in solvent polarity. They possess the properties of the low viscosity of conventional organic liquids and the good stability and the designability of the functionalized ionic liquids. In this proposal, a new non-aqueous absorbent will be synthesized with SILs and amino functional group to achieve perfect performance on CO2 capture. The CO2 absorption and desorption property of this new non-aqueous absorbent will be investigated. Based on the results of characterization, the chemical reaction mechanism between the new system and CO2 will be clarified. On the basis of the classic theory of mass transfer (two-film theory), the mass transfer model of this new system would be established, and some important kinetic parameters such as the reaction rate constant and the enhancement factor would be obtained. Finally, based on the polarity swing-assisted regeneration, the process parameters of CO2 capture into this new system will be optimized, and the economy and stability of this non-aqueous system will be assessed and compared with traditional aqueous amine system. The results of this proposal will provide a new absorbent for CO2 capture.

开关型离子液体（Switchable Ionic Liquids, SILs）是近年来开发的一类新型非水相的CO2吸收剂，其吸收CO2过程中，极性随吸收负荷的增加而增加，溶剂形态也从分子状态转变为离子液体，兼具常规有机溶剂粘度低和离子液体稳定性好、功能可设计的特性。本项目通过功能化基团的引入和优化，拟合成吸收容量高、吸收速率快、物化特性优良的氨基功能化开关型离子液体，用于烟气中CO2的捕集；考察所合成的新型非水相体系吸收-解吸CO2的特性，深入分析其捕集CO2的反应机理；揭示CO2在该体系中的速率限制步骤，阐明其捕集CO2的传质-反应机制，建立传质-反应动力学模型；最终借助极性改变辅助再生技术，优化吸收-解吸工艺，结合吸收性能及再生能耗等关键指标，与传统水相的有机胺体系进行比较，全方位评价该非水吸收体系和集成工艺的技术特性和经济成本。

本项目成功合成了氨基功能化开关型离子液体1,8-二氮杂双环(5.4.0)十一碳-7-烯（DBU），并将开关型离子液体DBU/乙醇组成非水相吸收剂，利用2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）作为调控剂强化非水相吸收剂捕集CO2。考察所合成的新型非水相体系吸收-解吸CO2的特性，结果表明：DBU/AMP/乙醇复合溶液在DBU和AMP摩尔比为1:1，乙醇质量分数为50%时为最佳组分比。此时，其CO2吸收负荷达到2.98 mol·kg-1，粘度为13.81 mPa·s。吸收饱和的溶液在120 oC下解吸1.0 h后的再生效率可达99.3%。同时，经过五次循环再生，其再生效率仍可达到93.5%，这表明DBU/AMP/乙醇复合溶液具有良好的重复利用性。随后，深入分析该非水相吸收剂捕集CO2的吸收-解吸反应机理。通过13C NMR表征表明：DBU/乙醇溶液与CO2反应生成CH3CH2OCO2-；而AMP首先与CO2反应生成氨基甲酸酯，氨基甲酸酯再与乙醇进一步反应生成CH3CH2OCO2-。在解吸过程中，氨基甲酸酯和CH3CH2OCO2-在常压加热的条件下与DBUH+和AMPH+反应，从而进行分解。最终DBU/AMP/乙醇复合溶液中的吸收产物全部分解。随后阐明DBA/乙醇/水三元吸收剂捕集CO2的传质-反应机制，建立传质-反应动力学模型，发现DBA/乙醇/水三元吸收剂捕集CO2主要以DBA与CO2的化学反应为主，且此反应属于快速拟一级反应。通过Arrhenius方程及实验结果，获得了k2与温度（T）的线性方程为k2=5.5305×105exp(-1568.8/T)，计算出DBA/乙醇/水三元吸收剂吸收CO2的化学反应活化能（Ea）为13.04 kJ·mol-1。而通过热力学研究可知：DBA/乙醇/水三元吸收剂捕集CO2所需的再生能耗为2.75 GJ/ton CO2，低于30% MEA溶液（3.22 GJ/ton CO2）捕集CO2所需的再生能耗，具有节能潜力。