离子液体型二氧化碳捕集吸收剂的研究

发布时间：2017-06-26 13:13

  本文关键词：离子液体型二氧化碳捕集吸收剂的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：CO：排放被认为是引起全球气候变暖最主要的因素之一。化学吸收法是目前最有效、最实用的碳捕集技术,而高效、节能、环保的吸收剂一直是科学家们孜孜不倦的追求。离子液体具有可忽略的蒸汽压、低比热及结构可设计性等优点,为开发CO2捕集的新型吸收剂带来契机。然而,常规离子液体的CO2吸收量低,功能化离子液体具有合成复杂、成本高、粘度大等缺点,是制约离子液体用于CO：捕集工业化应用的瓶颈。因此,开发高CO2吸收量、高吸收速率、低吸收热和低成本的离子液体型吸收剂是当前CO2捕集领域的研究热点。基于此,本论文从工业应用的角度出发,开展了多位点有机胺、离子液体-有机胺复配溶剂以及低共熔溶剂吸收CO2的应用基础研究,为开发新型高效CO2吸收剂提供理论支持。本论文的主要研究内容及创新性成果如下：(1)新型多位点有机胺N-甲基-N-(2-羟乙基)-1,3-丙二胺(HMPDA)的CO2吸收性能研究。根据伯胺的CO2的吸收速率快,叔胺的CO2吸收量大的优势,开发了一种CO2吸收量高、吸收速率快且吸收热低的多位点新型有机胺溶剂。用研制的釜式气体吸收评价实验装置和气液相平衡实验装置分别研究了HMPDA水溶液的CO2吸收速率和吸收量,发现30wt%HMPDA水溶液的CO2吸收速率高于30 wt%MEA及30 wt%MDEA水溶液。在250 kPa、313 K时,30 wt%HMPDA水溶液的CO2吸收量可达1.5 mol CO2/mol HMPDA,高于30 wt％MEA(0.6 mol CO2/mol MEA)和30 wt％MDEA(0.9 mol CO2/mol MDEA)水溶液的CO2吸收量。研究了温度、浓度对吸收性能的影响,并考察了CO：吸收前后吸收剂的粘度和密度变化。BT2.15微量热测试系统研究了313 K时30 wt％HMPDA水溶液的CO2吸收热。结果表明,CO2负载量低于0.45 mol时,30 wt％HMPDA水溶液的CO2吸收热低于30 wt％MEA和30 wt％MDEA水溶液的CO2吸收热。(2)[Bmim][N03]-MEA复配体系的CO2吸收性能研究。针对现有MEA碳捕集工艺再生能耗高的不足,选择稳定的离子液体[Bmim][NO3]与MEA形成复配溶剂,替代一部分水,以降低再生能耗。研究了复配溶剂的密度、粘度、比热、折光率等物化性质。与MEA水溶液相比,离子液体的加入增加了溶剂的密度、粘度和折光率,降低了比热。气液平衡实验表明离子液体的加入略微降低CO2的饱和吸收量和吸收速率,提高了CO2的物理溶解度,降低了CO2的扩散系数。用微量热技术研究了复配溶剂的CO2吸收热,并分析了温度,压力以及CO2负载量和吸收热之间的关系。结果表明,在有化学反应参与的吸收阶段(CO2负载量为0.5mol CO2/mol MEA),吸收热主要是化学反应放出的热；此后,吸收热明显下降,主要来自离子液体的物理吸收作用。提高离子液体浓度,可明显降低复配溶剂的CO2吸收热。(3)离子液体-MDEA复配体系的CO2吸收性能研究。考察了不同离子液体复配溶剂的循环CO2吸收量,测量了313-353 K下的CO2饱和溶解度,计算了物理吸收热和亨利系数。结果表明,不同复配溶剂的循环吸收量大小顺序为：MDEA-PZ-[Bmim][BF4] MDEA-PZ-[Bmim][Cl] MDEA-PZ-[Bmim][NO3]。气液平衡实验表明,CO2的溶解度随着温度的升高而下降,随着压力的升高而增加,离子液体的加入略微降低了CO2的平衡溶解度。用Gibbs-Helmholtz方程计算的吸收热表明,复配体系的CO2吸收热与加入离子液体的种类有关,离子液体的加入减小了CO2的亨利系数,降低了CO：吸收热,尤其在较高的C02负载量以及较高温度时,吸收热降低更加明显。(4)新型低共熔溶剂的合成、表征及其C02吸收性能研究。针对现有低共熔溶剂CO2吸收量低的缺点,新合成一种基于离子液体[Bmim][Cl]的低共熔溶剂,用红外、核磁和拉曼光谱对新低共熔溶剂的结构进行表征,证实低共熔溶剂中氢键的存在是形成共熔物的原因。研究了低共熔溶剂的物化性质诸如密度、粘度和比热等物化性质和稳定性,低共熔溶剂的熔点最大降低约70 K。考察了低共熔溶剂的CO2吸收量和吸收热,最大吸收量可达21.4%,低共熔溶剂的CO2吸收热随着CO2吸收量的增加而减小。研究了低共熔溶剂的CO2吸收机理,发现共熔物与CO2之间以化学反应为主,生成的氨基甲酸盐和[Bmim][Cl]形成新的氢键,进而提高了CO2的吸收量。
【关键词】：CO_2捕集 离子液体 复配溶剂 低共熔溶剂 吸收性能
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X701;TQ028.17
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 文献综述14-44
• 1.1 引言14-15
• 1.2 全球气候变化与温室气体排放控制15
• 1.3 中国碳排放与控制研究现状15-16
• 1.4 有机胺化学吸收法捕集CO_2研究现状16-21
• 1.4.1 CO_2捕集方法简介16-18
• 1.4.2 单个有机胺体系捕集CO_2研究现状18-19
• 1.4.3 有机胺复配体系捕集CO_2研究现状19-21
• 1.5 离子液体法捕集CO_2研究现状21-27
• 1.5.0 离子液体简介21
• 1.5.1 常规离子液体捕集CO_2研究现状21-24
• 1.5.2 功能化离子液体捕集CO_2研究现状24-27
• 1.6 基于离子液体的复配溶剂捕集CO_2研究现状27-30
• 1.7 低共熔溶剂及其在CO_2捕集中的应用30-40
• 1.7.1 低共熔溶剂及其分类31-33
• 1.7.2 低共熔溶剂的物化性质33-37
• 1.7.3 低共熔溶剂捕集CO_2研究现状37-39
• 1.7.4 低共熔溶剂在其他领域的应用简介39-40
• 1.8 本文选题依据和研究内容40-44
• 1.8.1 选题依据及意义40-41
• 1.8.2 研究内容41-44
• 2 新型多位点有机胺吸收CO_2性能的研究44-70
• 2.1 引言44
• 2.2 实验部分44-54
• 2.2.1 实验试剂44-45
• 2.2.2 实验仪器45
• 2.2.3 称重法实验装置45
• 2.2.4 在线吸收反应设备45-49
• 2.2.5 CO_2解吸实验装置49-50
• 2.2.6 气液相平衡实验设备50-52
• 2.2.7 微量热吸收热测试系统52-54
• 2.3 实验结果与讨论54-67
• 2.3.1 有机胺溶液的密度和粘度54-57
• 2.3.2 称重法研究CO_2在有机胺溶液中的吸收速率57-59
• 2.3.3 在线反应装置研究CO_2在有机胺溶液中的吸收性能59-62
• 2.3.4 有机胺-CO_2气液平衡实验62-64
• 2.3.5 有机胺体系的CO_2吸收解吸实验64-65
• 2.3.6 有机胺体系的CO_2吸收热65-67
• 2.4 本章小节67-70
• 3 MEA-[Bmim][NO_3]复配溶剂吸收CO_2性能研究70-96
• 3.1 引言70-71
• 3.2 实验与理论部分71-75
• 3.2.1 实验试剂71
• 3.2.2 基本实验仪器71
• 3.2.3 吸收物化性质测量71-72
• 3.2.4 气液平衡装置实验装置及其实验步骤72
• 3.2.5 N_2O和CO_2在MEA-[Bmim][NO_3]复配溶剂的物理溶解度72-74
• 3.2.6 N_2O和CO_2在MEA-[Bmim][NO_3]复配溶剂中的扩散系数74
• 3.2.7 CO_2在MEA-[Bmim][NO_3]复配溶剂中的反应热74-75
• 3.3 结果与讨论75-94
• 3.3.1 吸收剂密度与粘度75-77
• 3.3.2 吸收剂的折光率77-78
• 3.3.3 吸收剂的比热78-80
• 3.3.4 离子液体型复配溶剂的CO_2吸收速率研究80-83
• 3.3.5 离子液体型复配溶剂与CO_2的气液平衡实验83-86
• 3.3.6 CO_2在离子液体型溶剂中的物理溶解度86-88
• 3.3.7 CO_2在离子液体型溶剂中的扩散系数88-91
• 3.3.8 CO_2在离子液体型溶剂中的吸收热91-94
• 3.4 本章小结94-96
• 4 MDEA-ILs复配溶剂吸收CO_2性能的研究96-108
• 4.1 引言96
• 4.2 实验与理论部分96-98
• 4.2.1 实验试剂96-97
• 4.2.2 基本实验仪器97
• 4.2.3 气液平衡装置实验装置及实验步骤97-98
• 4.2.4 N_2O和CO_2在MDEA-ILs复配溶剂的物理溶解度98
• 4.2.5 CO_2在MDEA-ILs复配溶剂中的反应热98
• 4.3 结果与讨论98-107
• 4.3.1 CO_2在MDEA-ILs复配溶剂中的溶解度98-100
• 4.3.2 CO_2在离子液体型溶剂中的物理溶解度100-103
• 4.3.3 CO_2在离子液体型溶剂中的吸收热103-107
• 4.4 本章小结107-108
• 5 新型咪唑型低共熔溶剂吸收CO_2研究108-130
• 5.1 引言108
• 5.2 实验部分108-110
• 5.2.1 低共熔溶剂的合成原料108
• 5.2.2 低共熔溶剂的合成仪器108
• 5.2.3 低共熔溶剂的合成步骤108-109
• 5.2.4 低共熔溶剂的表征109
• 5.2.5 低共熔溶剂的热行为研究109
• 5.2.6 低共熔溶剂的密度和粘度研究109
• 5.2.7 低共熔溶剂的CO_2吸收量109-110
• 5.2.8 低共熔溶剂的CO_2吸收热110
• 5.3 结果与讨论110-128
• 5.3.1 低共熔溶剂的热稳定性110
• 5.3.2 低共熔溶剂的红外表征110-112
• 5.3.3 低共熔溶剂的拉曼表征112-113
• 5.3.4 低共熔溶剂的核磁表征113-115
• 5.3.5 低共熔溶剂的密度115-116
• 5.3.6 低共熔溶剂的粘度116-117
• 5.3.7 低共熔溶剂的比热117-118
• 5.3.8 低共熔溶剂的熔点和热稳定性曲线118-120
• 5.3.9 低共熔溶剂的CO_2吸收量研究120-123
• 5.3.10 低共熔溶剂的CO_2吸收热研究123
• 5.3.11 低共熔溶剂的CO_2吸收机理123-128
• 5.4 本章小结128-130
• 6 结论和展望130-134
• 6.1 本论文研究结论130-132
• 6.2 本论文的创新点132
• 6.3 建议和展望132-134
• 符号表134-138
• 参考文献138-156
• 个人简历与发表文章目录156-160
• 致谢160

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