咪唑类功能化离子液体的设计、合成及其吸收CO2性能研究

摘要

“温室效应”是21世纪人类所面临的重大环境问题之一，CO2约占温室气体的2/3，是引起温室效应的主要气体。离子液体(Ionic Liquids，ILs)是指仅由阴阳离子构成的液体，以其优异的热稳定性、良好的溶解性、良好的电导性及优异的结构可设计性等特点，在气体的捕集方面具有广泛的应用。然而传统离子液体用于捕集CO2虽然解决了工业上有机胺溶液捕集存在的损失高、腐蚀性高及再生能量高等问题，但吸收效果没有新的突破。如何实现在降低腐蚀性和再生能量的前提下，提高离子液体吸收CO2的能力，是现阶段离子液体用于吸收CO2的所亟待解决的问题。基于此，将传统离子液体进行功能化，设计合成了6种功能化离子液体，并制备离子液体复配溶液对模拟烟气进行吸收，不仅实现了对CO2的快速捕集而且具有便于分离和可重复使用的特点。本论文主要内容有: (1)合成了2种单咪唑氨基功能化离子液体，1-氨丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1，3-二氨丙基咪唑四氟硼酸盐。采用FT-IR，1HNMR，等手段对离子液体进行了表征，考察了不同温度下的粘度和密度，并将其应用于CO2吸收实验。测试结果显示，常压下低温有利于吸收，当吸收温度在283K时，1-氨丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和1，3-二氨丙基咪唑四氟硼酸盐的最大CO2吸收容量分别为0.424mol CO2/molIL和0.894mol CO2/mol IL，且经解吸后可重复吸收10次以上，其CO2吸收容量未见明显的降低。 (2)增加离子液体碱性基团密度，更利于捕集CO2且易于生物降解，本章首先设计合成了双咪唑离子液体，再通过一系列阴离子交换，制备了四种不同阴离子结构的双咪唑氨基酸离子液体，并采用FT-IR，1HNMR等手段对离子液体进行表征。对所合成的四种离子液体进行了粘度、密度测试以及CO2吸收实验，研究结果显示，在最佳吸收温度下(283K)，饱和吸收容量由高到低依次为双-(3-甲基-1-咪唑)亚丁基二脯氨酸，双-(3-甲基-1-咪唑)亚丁基二甘氨酸，双-（3-甲基-1-咪唑）亚丁基二丙氨酸，双-（3-甲基-1-咪唑）亚丁基二赖氨酸。由此可见，阴离子结构对CO2捕集效果有明显的影响，脯氨酸阴离子上含仲胺，且其共轭酸pKa为10.6，具有相对较强的碱性，吸收容量最大为0.971mol CO2/mol IL;而赖氨酸阴离子上虽然有两个氨基，但其粘度太大，导致吸收容量只有0.592mol CO2/mol IL。此外，以上离子液体经解吸均可重复吸收10次以上，其CO2吸收容量未见明显的降低。 (3)为进一步考察所合成离子液体对捕集CO2的工业化应用，考虑到氨基功能化离子液体粘度大的问题，本章考察了离子液体复配溶液的吸收效果，并以N2与CO2混合气作为模拟烟气，考查了离子液体结构、离子液体比例、复配溶剂种类、模拟烟气配比等对CO2吸收容量的影响。测试结果显示，在以5％离子液体+95％乙二醇复配为吸收剂时，双-（3-甲基-1-咪唑）亚丁基二赖氨酸离子液体的最大摩尔吸收容量大幅度提升，可达2.143mol CO2/mol IL;模拟烟气结果显示，在CO2含量为10％～100％情况下，该离子液体复配溶液的吸收容量在1.562～2.143mol CO2/mol IL的范围内，其值远大于文献中三乙烯四胺乳酸盐离子液体的吸收容量值0.547mol CO2/mol IL。因此，本复配离子液体吸收剂非常有望实现其在CO2工业化捕集中的应用。

目录

摘要

第一章文献综述

1．1背景介绍

1．2离子液体简介

1．2．1离子液体的定义及其特点

1．2．2离子液体的合成及其发展

1．3离子液体吸收CO2的研究

1．3．1传统离子液体吸收CO2的研究

1．3．2功能化离子液体吸收CO2的研究

1．4本论文研究内容

第二章实验部分

2．1实验试剂和仪器

2．2样品表征

2．2．4密度

2．3实验装置及流程

2．3．1实验装置

2．3．3 CO2解吸实验流程

2．4数据处理及分析方法

第三章单眯唑氨基功能化离子液体的合成、表征及其吸收CO2性能研究

3．1前言

3．2实验部分

3．2．1单咪唑氨基功能化离子液体的合成

3．2．2单咪唑氨基功能化离子液体的结构表征及物化性质

3．3单咪唑氨基功能化离子液体吸收CO2性能的研究

3．3．1吸收时间与吸收量的关系

3．3．2吸收温度对吸收容量的影响

3．3．3循环次数对吸收容量的影响

3．4小结

第四章双咪唑氨基酸离子液体的合成、表征及其吸收CO2性能研究

4．1前言

4．2实验部分

4．2．1双咪唑氨基酸离子液体的合成

4．2．2双咪唑氨基酸离子液体的结构表征及物化性质

4．3双咪唑氨基酸离子液体吸收CO2性能的研究

4．3．1吸收时间与BIAAILs吸收量的关系

4．3．2吸收温度对BIAAILs吸收容量的影响

4．3．3循环次数对BIAAILs吸收容量的影响

4．4小结

第五章离子液体复配溶液吸收模拟烟气的研究

5．1前言

5．2离子液体结构对复配溶液吸收效果的影响

5．4复配溶液中离子液体含量对其CO2吸收容量的影响

5．5双咪唑氨基酸离子液体复配溶液吸收模拟烟气中CO2的研究

5．6小结

第六章总结

参考文献

附录

致谢

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