1-胺乙基-3-甲基咪唑赖氨酸盐（[C2NH2MIm][Lys]）捕集二氧化碳的吸收-解吸特性

摘要

温室气体是引起全球气候变化的主要原因之一，二氧化碳（CO2）作为最重要的温室气体，其控制与减排成为全球关注的热点话题。基于当前全球能源结构仍然以化石燃料为主的现状，从CO2集中排放源，如燃煤发电厂等，分离回收CO2是碳减排最直接有效的方式。新型吸收剂的研发，是进一步推广碳捕集技术的关键。而离子液体（Ionic liquids，ILs）因其性质稳定、结构可设计等特点，被认为是一种新型的绿色溶剂，引起越来越多研究者的兴趣。 本文选用单氨基功能化咪唑离子液体1-胺乙基-3-甲基咪唑溴盐（1-aminoethyl-3-methylimidazolium bromide,[C2NH2MIm]Br）为基础，引入L-赖氨酸（L-Lysine，Lys），通过两步法合成新型多氨基的功能化离子液体1-胺乙基-3-甲基咪唑赖氨酸盐（[C2NH2MIm][Lys]），将其溶于水溶液中用于CO2捕集。并通过核磁共振碳谱（13C NMR）、傅立叶红外光谱（FT-IR）、热重分析（TG）等分析测试方法，对该新型多氨基离子液体进行表征和分析，验证基团特性及其稳定性。随后考察新型吸收剂[C2NH2MIm][Lys]的吸收-解吸特性，并探究其捕集CO2反应机理，阐明其传质-反应动力学。 实验结果表明，313 K时，0.5 mol·L-1[C2NH2MIm][Lys]水溶液吸收CO2的初始反应速率为0.95 mmol·min-1,最大CO2吸收负荷约为1.62 mol CO2/mol ILs。因[C2NH2MIm][Lys]离子液体中含有3个氨基基团，均能与 CO2发生化学反应，因此其吸收负荷约为传统MEA吸收负荷的3-4倍。[C2NH2MIm][Lys]的最适再生温度为393 K，且经过6次再生循环后，仍保持89.07%的再生效率。实验结果证明，与传统有机胺MEA相比，该新型多氨基功能化离子液体具有更高的吸收负荷，且再生性能稳定。 随后，本文探讨了[C2NH2MIm][Lys]吸收-解吸CO2的反应机理，分析了吸收-解吸过程中，吸收负荷、温度和溶液pH的变化情况，并对该过程分阶段采样，利用13C NMR分析产物特征。结合实验及表征结果分析，发现[C2NH2MIm][Lys]捕集CO2过程可分为两个阶段。第一阶段，[C2NH2MIm][Lys]在水溶液中电离成阴阳离子，CO2与阴阳离子中的氨基功能化基团发生化学反应，生成氨基甲酸酯中间产物，此过程为放热反应。第二阶段，溶液 pH降低，化学反应减弱，而反应中间产物氨基甲酸酯水解成氨基甲酸盐；同时，CO2的水解反应加强，反应生成HCO3－或CO32－，此过程为吸热反应。当[C2NH2MIm][Lys]离子液体吸收CO2饱和时，溶液中的碳主要以HCO3－或CO32－存在。而解吸过程为吸收的逆过程，也分为两个阶段。首先，饱和溶液中的HCO3－先热分解释放CO2，并消耗水中的H+，促使氨基甲酸、赖氨酸产物解离为酸根阴离子；随后部分HCO3－或CO32－与酸根阴离子反应生成氨基甲酸酯中间产物，最后氨基甲酸酯受热分解，释放CO2，溶液得以再生。 基于探明的反应机理，利用双搅拌釜考察[C2NH2MIm][Lys]吸收CO2过程的传质反应特性。[C2NH2MIm][Lys]吸收CO2符合快速拟一级反应，基于经典的双膜理论和传质模型，结合实验结果，计算得到[C2NH2MIm][Lys]捕集CO2的动力学参数，如303.15 K时，反应速率常数k2为11046.11 m3·kmol-1·s-1，增强因子E为115.25。此外，发现增强因子E与吸收剂浓度及反应温度呈线性正相关。通过Arrhenius方程对该吸收体系进行描述，[C2NH2MIm][Lys]溶液吸收CO2活化能为24.6 KJ·mol-1。

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主要符号对照表

绪论

第1章文献综述

1.1 CO2控制技术概述

1.2有机胺吸收法

1.3传统离子液体

1.4功能化离子液体

1.5立题依据

1.6研究内容

第2章实验方法

2.1实验试剂及设备

2.2实验装置及方法

2.3参数定义及计算方法

2.4 CO2吸收传质动力学参数

2.5物化参数

2.6表征方法

第3章[C2NH2MIm][Lys]离子液体吸收-解吸CO2特性

3.1 [C2NH2MIm][Lys]离子液体的表征

3.2 [C2NH2MIm][Lys]吸收CO2性能

3.3温度对[C2NH2MIm][Lys]吸收性能的影响

3.4 [C2NH2MIm][Lys]再生性能

3.5本章小结

第4章[C2NH2MIm][Lys]吸收机理及传质反应动力学

4.1 [C2NH2MIm][Lys]捕集CO2特性

4.2 13C NMR表征

4.3 CO2传质反应动力学

4.4本章小结

第5章结论与展望

5.1结论

5.2本文创新点

5.3展望

参考文献

致谢