新型低共熔溶剂对二氧化硫的捕集性能研究

发布时间：2020-10-13 21:16

　　 二氧化硫(SO_2)作为最重要的大气污染物之一,严重威胁着自然环境和人们的健康,因此,二氧化硫的排放需严格控制。工业烟道气脱硫技术往往存在效率低、产生废水和硫酸钙等无用副产物的问题,为了解决这些问题,近年来,具有蒸汽压低、热稳定性高以及具有可调节特性的离子液体为二氧化硫捕集提供了新的方法,但是目前离子液体复杂的制备方法,昂贵的价格制约着其在二氧化硫捕集方面的应用。故此,具有离子液体优势,且比离子液体制备简单、价格低廉的低共熔溶剂(DESs)成为了一种新型且绿色的二氧化硫吸收剂。作为新兴领域,目前低共熔溶剂多通过物理过程捕集二氧化硫,不利于烟道气中低浓度二氧化硫的捕集,因此,设计研发高效捕集二氧化硫的低共熔溶剂非常重要。基于上述情况,本论文设计并合成了8种低共熔溶剂,测定了它们的熔点、密度、粘度以及热稳定性;考察了低共熔溶剂在不同温度和不同二氧化硫分压下对二氧化硫的捕集性能以及脱附和循环使用性能,并通过核磁和红外手段探讨了低共熔溶剂对二氧化硫的吸收机理。主要研究内容和结论如下:1.基于在低共熔溶剂中引入氨基或羰基等官能团后可以提升其对二氧化硫捕集量的策略,筛选含有上述官能团的多种有机物为氢键供体,四丁基溴化铵为氢键受体,制备不同类型的低共熔溶剂。2.通过考察所制备的低共熔溶剂对二氧化硫的吸收性能,研究氢键供体的结构、官能团类型等因素对二氧化硫捕集效率的影响。结果发现:在不存在氧负、氮负等负离子的情况下,含有氨基和带有孤对电子的氮原子的物质作为氢键供体更能设计出对二氧化硫具有较高捕集能力的低共熔溶剂。3.在上述研究基础上,筛选出咪唑及其四种类似物为氢键供体,四丁基溴化铵为氢键受体,制备了5种新型低共熔溶剂,通过多种技术,测定了它们的熔点、密度、粘度等物理性质参数。通过吸附脱附实验,系统研究了温度、压力等因素对低共熔溶剂捕集二氧化硫性能的影响。结果发现:该类低共熔溶剂对低浓度二氧化硫具有较高捕集能力,并且具有捕集后较易脱附,循环性能较好的特点。其中在293.15K、1atm时,四丁基溴化铵:4-甲基咪唑(1:9)体系的吸收量最大,为1.33 g SO_2/g DES,高于目前文献报道结果。4.核磁和红外表明氢键供体中氨基与二氧化硫之间的酸碱作用是该类低共熔溶剂高效捕集二氧化硫的主要原因。总的来说,以上研究结论为制备高效捕集二氧化硫的低共熔溶剂提供了理论支持和基础数据支撑,为二氧化硫污染的源头控制和削减提供了新途径。
【学位单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X701
【部分图文】：

的[Na(TX-10)][Im]离子液体，其质量捕集量仅为 0.567 g SO2/g IL。所色溶剂替代离子液体已成为了目前的发展趋势。熔溶剂捕集二氧化硫熔溶剂的简介溶剂源于低共熔的概念，虽然该概念很早就存在，但低共熔溶剂的发 2003 年 Abbott 等人[75]发现氯化胆碱（熔点 595K）和尿素（熔点 4成室温下呈液体的低共熔混合物，并得出其具有较好的溶剂性质之后更多的学者所重视和研究。自 2003 年以来，以低共熔溶剂为主题的下图 1-1 所示，由图可知，目前对于低共熔溶剂的研究热度还处于不

子液体相似的性质，低共熔溶剂又被称为离子液体类似物[77-79]。2007 年 Abbott 等人[80]根据组成类型不同将低共熔溶剂分为了四大类，其分类结果如下：类型Ⅰ：低共熔溶剂由季铵盐和金属氯化物组成，其中金属氯化物可以是 ZnCl2、SnCl2以及 CuCl2等，如氯化胆碱:SnCl2(1:2),熔点 310.15K[81]；类型Ⅱ：低共熔溶剂由季铵盐和金属氯化物的水合物组成，其中的金属种类同类型Ⅰ，如氯化胆碱:MgCl2·6H2O(1:1)，熔点 289.15K[82]；类型Ⅲ：低共熔溶剂由季铵盐和氢键供体组成，其中季铵盐常用氯化胆碱等，氢键供体常为醇、胺以及羧酸,如氯化胆碱:丙二酸（1:1），熔点 283.15K[83]；类型Ⅳ：低共熔溶剂由金属氯化物和醇、羧酸等组成，其中金属氯化物种类同类型Ⅰ，如 ZnCl2:尿素，熔点 282.15K[80]。其中类型Ⅲ为目前研究较多的一类低共熔溶剂，其常用的氢键供体与氢键受体的结构式见下图 1-2 所示。

而红外和核磁结果表明低共熔溶剂捕集二氧化硫的过程为物理吸收的过程。2016 年，吴伟泽课题组[115]以乙二醇为氢键供体、含有-COO-的甜菜碱（Bet）和肉碱（L-car）分别为氢键受体制备并研究了甜菜碱:乙二醇和肉碱:乙二醇两类功能化的低共熔溶剂在低二氧化硫浓度下的捕集情况，测定了 333.15K，不同二氧化硫分压下低共熔溶剂的捕集量，并考察了摩尔比以及温度对于捕集量的影响。研究结果表明：两种低共熔溶剂对于低浓度的二氧化硫具有很好的捕集能力，其中摩尔比为 1:3 时，两种低共熔溶剂的捕集量在333.15K、0.02 bar下分别为0.366 g SO2/ g DES 和 0.365 g SO2/ g DES此外，循环实验表明两种低共熔溶剂具有很好的循环性能。红外和核磁结果表明，上述两种低共熔溶剂通过二氧化硫与-COO-之间较强的酸碱反应进行化学捕集二氧化硫。本文是首次通过设计氢键受体来研究功能化低共熔溶剂对于二氧化硫的捕集情况。其吸收机理如图 1-3 所示。随后，2017 年该课题组[116]针对这两种低共熔溶剂又进行了不同温度下的比热容的测定。其研究结果表明：这两种低共熔溶剂的比热容小于水，有利于脱硫过程。
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本文编号：2839713