密闭空间低浓度CO2的固态胺材料分子结构与吸（脱）附性能关系研究

Carbon dioxide removal is one of the key parts of space life support. The project deals with the quantitative structure-property relationship (QSPR) of solid amine, which is a potential material for removal of dilute CO2 from closed cabin. Based on the exploration of kinetics and mechanisum of CO2~H2O co-adsorption on solid amine materials, and artificial neural networks as well, QSPR approach is proposed to describe the relationship between molecular structure and adsorptin properties of solid amines. Beside its important meanings in space exploring, the project may also be of value for CO2 removal in various industrial processes such as greenhouse gas control, industrial syntheses, and natural gas purification.

CO2浓度控制是密闭空间生命保障系统的重要组成部分.本项目针对密闭空间低浓度CO2开展固态胺材料分子结构与CO2吸附性能关系研究。通过调控固态胺材料的有机胺分子结构（也即固态胺材料的界面性质），在CO2~H2O协同吸（脱）附反应动力学和机理研究基础上，以具有处理模糊信息和不连续数值能力的人工神经元网络为工具，采用"定量构效关系"（QSPR）方法关联有机胺分子结构与CO2吸附性能，揭示固态胺材料分子结构与CO2吸脱附性能关系的规律，为研究适宜于密闭空间的固态胺材料提供理论指导。

载人航天器和空间站等密闭空间CO2浓度控制是生命保障系统的重要组成部分，这类密闭空间主要特点是CO2浓度低且有一定湿度，目前主要采用分子筛或固态胺吸附法控制其中的CO2。分子筛物理吸附CO2，吸附快且易脱附，但微量水即影响性能。固态胺吸附效率高且对水不敏感，但通常脱附和热稳定性不及分子筛。本项目针对固态胺材料，通过调控材料界面(孔结构和分子结构)，以吸、脱附反应动力学为基础，研究材料结构与吸脱附性能关系，结合“理论化学”计算，提出不限于经典化学键的有机胺分子结构设计思路。同时开展固态胺材料失活机制研究，所建模型预测固态胺吸附剂在温和操作条件下使用寿命长。获得主要结果有：.(1) Na2CO3调控炭凝胶孔结构，炭凝胶载体浸渍聚乙烯亚胺(PEI)制备吸附剂，发现间苯二酚与Na2CO3质量比1000~1300的炭凝胶孔结构最有利于CO2的吸、脱附。.(2) 借助近代发展的理论化学计算工具和CO2吸脱附反应动力学，研究不同分子结构特征的有机二胺/炭凝胶与CO2吸、脱附性能关系。发现具有潜在构成稳定环状氢键结构有机二胺分子，兼具有良好的吸附和脱附性能，例如N,N’-二乙基-1,3-丙二胺/炭凝胶的吸、脱附反应活化能分别为26.47和31.52 kJ/mol。为此，提出不限于经典化学键的优化设计有机胺分子结构思路。.(3) PEI固态胺CO2吸附剂失活同时发生热解与氧化反应。强化温度条件下应用平行反应数学处理方法分别建立起一级热解和二级氧化反应动力学模型，以此建立寿命预测模型，预测PEI固态胺CO2吸附剂在20~30 C的大气环境中使用寿命达5年以上。.目前固态胺材料能在环境温度下吸附CO2，但脱附则需较高温度。按传统化学键理论，只能寻找平衡点兼顾吸、脱附。本项目提出不局限于传统化学键理论的一种有机胺分子结构优化设计新思路，应用QN (氮偏电荷数)发现一类有机胺，其氢键结构导致吸附机制改变，吸、脱附CO2反应不直接构成可逆反应，在降低脱附反应活化能同时并不显著提高吸附反应活化能，从新的角度解决根有机胺吸、脱附CO2不对等问题。