离子液体相变体系在CO2捕集中的应用研究
近年来，温室效应和全球气候变暖持续影响着人们的生存环境，温室气体特别是CO2的捕集成为了研究热点，而碳捕集过程中能耗最高的一个环节就是吸收剂的再生。CO2相变吸收体系吸收CO2后可以发生液液相变或液固相变，且反应产物富集在其中一相，可以通过只再生CO2富相达到降低吸收剂再生能耗的效果。目前研究较多的相变吸收体系大多以醇胺类化合物为核心，但这类物质在使用过程中易损耗，对设备有腐蚀作用，并且吸收性能还有待提升。本文以新型的“绿色溶剂”离子液体替代醇胺溶液，搭配不同的有机溶剂，筛选出具有良好吸收性能，较低再生能耗且污染小的离子液体CO2相变吸收体系。 首先，本文合成了[TETA]Br、[TETA]BF4和[TETA]NO3等离子液体，分别与一些有机试剂复配，经过CO2吸收筛选实验，共筛选出了7种相变吸收体系，并分析研究了它们吸收CO2后的相变规律，发现离子液体的阴离子种类、有机溶剂的极性和官能团等，对复合吸收剂吸收CO2后的相变行为产生影响。实验考察了7种相变吸收体系的吸收性能和分相后的下相体积，最终筛选出[TETA]Br-PMDETA-H2O体系开展进一步的操作条件优化和机理研究。经过吸收和再生操作条件优化后，[TETA]Br-PMDETA-H2O体系(4M，[TETA]Br和PMDETA摩尔比3∶7)在30℃下吸收纯CO2可以在90分钟内达到平衡，CO2的饱和吸收容量为2.631mol CO2/L。富CO2的下层物料在150℃下进行再生，再生效率可以达到98.48％，吸收解吸4次循环之后依旧可以保持在95％以上，CO2循环负载达到8.513mol CO2/mol ILs。 其次，本文使用体积分数分别为88％的N2和12％的CO2组成模拟烟气，使用[TETA]Br-PMDETA-H2O体系进行进行CO2吸收实验，尽管升高操作温度会导致CO2容量有所降低，但体系在50℃下的CO2依旧可以达到2.501mol CO2/L。在吸收温度50℃和解析温度150℃条件下进行吸收和解吸循环实验，经过3次循环后再生效率可以保持在96％以上，CO2总循环负载可以达到6.091mol CO2/L。研究结果表明，其良好的吸收性能得益于[TETA]Br和PMDETA在混合之后的相互促进作用。其中[TETA]Br分子中的高活性氨基可以与CO2快速反应，PMDETA则降低了体系的整体粘度使[TETA]Br不受抑制，且PMDETA和水与CO2的反应进一步促进了体系对CO2吸收。 最后，通过13C NMR对新鲜[TETA]Br-PMDETA吸收液、吸收CO2后的上相和下相溶液进行分析测试，表明上层溶液主要含有PMDETA，不含CO2吸收产物和离子液体等;CO2吸收产物主要富集在下层物料中，主要产物为氨基甲酸酯、碳酸盐和碳酸氢盐、水、[TETA]Br和PMDETA。因此，[TETA]Br-PMDETA体系吸收CO2发生相变的机理可能是[TETA]Br与CO2反应形成氨基甲酸酯，同时PMDETA和水与CO2反应生成少量碳酸盐和碳酸氢盐。氨基甲酸酯的积聚会导致PMDETA在水中的溶解度降低，随着反应过程的深入进行，密度较小的PMDETA游离出来成为上相物质，其余物质留在水中成为下相物料。
烟气处理;二氧化碳;捕集过程;离子液体;相变吸收体系;再生效率
北京化工大学
硕士
化学工程
陈晓春;韩峰
2020
中文
X701
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）