氨基酸離子液體水溶液捕集二氧化碳作用機(jī)理及其再生特性研究.pdf

1、鑒于二氧化碳（CO2）的大量排放對(duì)大氣環(huán)境造成的不利影響，越來(lái)越多的國(guó)家致力于CO2減排。氨基酸離子液體（Amino acid ionic liquids，AAILs）水溶液具有較低的粘度和較高的CO2吸收能力，在碳捕集領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力，但對(duì)其水溶液捕集CO2的機(jī)理尚無(wú)明確的論述。此外，本課題組前期研究表明，四甲基銨甘氨酸（Tetramethylammonium glycinate，[N1111][Gly]）水溶液和[N1111][

2、Gly]+AMP（2-amino-2-methyl-1-propanol）復(fù)合吸收劑均有較強(qiáng)的CO2吸收能力，但未對(duì)其再生性能和熱穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。因此，本文以[N1111][Gly]水溶液為研究對(duì)象，利用核磁共振碳譜技術(shù)（13C NMR），表征其吸收和解吸 CO2反應(yīng)過(guò)程中形成的產(chǎn)物，考察不同吸收負(fù)荷下，CO2在水溶液中的存在形式及變化趨勢(shì)，以揭示氨基酸離子液體水溶液捕集CO2的作用機(jī)理。采用常壓加熱法，分別考察[N1111][Gl

3、y]濃度、再生溫度和再生次數(shù)對(duì)[N1111][Gly]水溶液和[N1111][Gly]+AMP復(fù)合吸收劑的再生效率和CO2解吸速率的影響。
　　機(jī)理研究表明：[N1111][Gly]水溶液吸收 CO2的過(guò)程比傳統(tǒng)有機(jī)胺的更為復(fù)雜。甘氨酸陰離子（[Gly]-）上的氨基先與CO2反應(yīng)生成氨基甲酸酯（Carbamate），隨著吸收劑的損耗，CO2水合反應(yīng)增強(qiáng)，氨基甲酸酯水解生成甘氨酸和HCO3-，吸收飽和時(shí)CO2的存在形態(tài)為HCO3-和

4、微量氨基甲酸酯。再生過(guò)程則是吸收的逆過(guò)程，飽和溶液中的HCO3-先熱分解釋放CO2，并消耗水中的H+，促使甘氨酸解離為[Gly]-；部分 HCO3-與[Gly]-反應(yīng)生成氨基甲酸酯，隨后氨基甲酸酯受熱分解，釋放CO2，溶液得以再生。
　　[N1111][Gly]飽和吸收液的再生實(shí)驗(yàn)表明：與AMP相比較，[N1111][Gly]水溶液表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，多次再生后無(wú)副產(chǎn)物產(chǎn)生。濃度為15wt％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的[N1111

5、][Gly]水溶液表現(xiàn)出最好的再生性能。當(dāng)再生溫度低于383 K時(shí)，再生效率和CO2解吸速率隨著再生溫度的增大而增大。當(dāng)再生溫度大于383 K時(shí)，再生溫度的增大對(duì)再生效率幾乎沒(méi)有影響，但對(duì)CO2解吸速率具有明顯的促進(jìn)作用，且達(dá)到完全解吸所需的時(shí)間明顯減少。隨著再生次數(shù)的增加，[N1111][Gly]水溶液的再生效率和CO2解吸速率僅略微下降，且貧液保持較好的CO2吸收能力。基于新液（初次吸收CO2前的吸收液）及再生貧液（再生后的吸收液）

6、吸收 CO2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了[N1111][Gly]水溶液吸收 CO2動(dòng)力學(xué)模型，新液及373、383和393 K再生后的貧液的吸收速率常數(shù)K分別為：0.01187，0.00511，0.0103和0.01131 s-1。Weibull方程能較好描述[N1111][Gly]水溶液再生過(guò)程中再生效率與時(shí)間的關(guān)系。
　　[N1111][Gly]+AMP復(fù)合吸收劑再生實(shí)驗(yàn)表明：與AMP相比較，該復(fù)合吸收劑表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性

7、，多次再生后無(wú)副產(chǎn)物產(chǎn)生，但與[N1111][Gly]水溶液相比，其穩(wěn)定性變差。[N1111][Gly]的加入，對(duì)[N1111][Gly]+AMP復(fù)合吸收劑的再生效率和CO2解吸速率具有促進(jìn)作用，但促進(jìn)作用隨[N1111][Gly]濃度的增加而趨于減小。在實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)，0.95 mol L-1 AMP+0.3 mol L-1[N1111][Gly]配比的復(fù)合吸收劑具有最佳吸收及解吸 CO2性能。與[N1111][Gly]水溶液類似的是

8、，再生溫度在373-383 K范圍內(nèi)，[N1111][Gly]+AMP復(fù)合吸收劑的再生效率和CO2解吸速率隨著再生溫度的增大而增大；當(dāng)再生溫度大于383 K時(shí)，再生溫度的增大對(duì)其再生效率幾乎沒(méi)有影響，但對(duì)CO2解吸速率具有明顯的促進(jìn)作用，且達(dá)到完全解吸所需的時(shí)間明顯減少。隨著再生次數(shù)的增加，[N1111][Gly]+AMP復(fù)合吸收劑再生效率和CO2解吸速率僅略微下降，且貧液能保持較好的吸收能力?；谧枘崮だ碚?，建立了[N1111][Gl