CN102827037A - 四甲基胍质子离子液体及其在捕集二氧化碳方面的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及四甲基胍质子离子液体及其在捕集二氧化碳方面的应用，属于通过吸附作用分离气体技术领域。本发明中采用的四甲基胍质子离子液体为1,1,3,3-四甲基胍咪唑类离子液体，阳离子为1,1,3,3-四甲基胍离子，阴离子为咪唑离子、2-取代咪唑离子和4-取代咪唑离子中的一种，吸收二氧化碳的压力为0.001~0.1Mpa，吸收温度10℃~60℃，脱附温度在80℃~100℃之间。本发明具有合成简单、稳定性好、吸收容量高和可循环等优点，可应用于纯二氧化碳或空气、烟道气、废气等混合气体中二氧化碳的捕集。

Description

四甲基胍质子离子液体及其在捕集二氧化碳方面的应用
技术领域
本发明涉及一种采用四甲基胍质子离子液体为吸附剂，应用于二氧化碳的捕集，属于通过吸附作用分离气体技术领域。
背景技术
近年来，随着工业的高速发展，二氧化碳的排放量逐年增加，加剧了温室效应，给环境带了极大的危害，因此合理地控制二氧化碳的排放和有效地捕集二氧化碳引起了全球的广泛关注。同时，二氧化碳本身也是一种重要的碳资源，可以被转化为重要的化工原料和中间体。因此，研究二氧化碳的捕集、固定和转化具有十分重要的意义。
目前，最为广泛使用捕集二氧化碳的方法是溶剂（液）吸收法。所采用的吸收溶剂不同，其捕集二氧化碳的容量也会随之变化。例如，工业上最常用的二氧化碳吸收溶剂为醇胺水溶液，具有成本低廉、吸收快等优点。但是，此类吸收溶剂易挥发、腐蚀性强，吸收速率慢，同时，需要额外添加一定量的活化剂以提高其捕集二氧化碳的性能（201110093748.7）。
离子液体具有稳定性好、蒸汽压低和可设计性等优点，近年来被广泛用于捕集或溶解二氧化碳气体。研究表明，离子液体吸收二氧化碳的能力与其种类（常规烷基咪唑离子液体和功能化离子液体等）和物理化学性质（例如离子液体的酸碱性和黏度等）密切相关。例如，常规烷基咪唑离子液体在常压下吸收二氧化碳的能力较弱，且以物理吸收为主导（Nature, 399, 28, 1999）。其后发展的氨基功能化的咪唑型离子液体在捕集二氧化碳的能力方面虽然有所提高，常压下每摩尔离子液体可吸收约0.5mol的二氧化碳（J. Am. Chem. Soc., 124, 926, 2004），但是此类离子液体的黏度会随着二氧化碳吸收量的增加而增大，并最终增加了二氧化碳脱附的难度。最近，Wang等制备了一系列以烷基季膦为阳离子、取代酚为阴离子的新型离子液体，用于吸收二氧化碳气体，实现了在常温和压下等摩尔捕集二氧化碳气体（Chem. Eur. J., 18, 2153, 2012）。但是，合成此类离子液体所需的原料比较昂贵，而且制备过程相对复杂、制备成本较高，不适宜在工业应用过程中进行大规模推广。因此，发展一种采用合成简单、稳定性好、吸附容量大和价格低的离子液体为吸收剂捕集二氧化碳的方法，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种制备简单、稳定性好、吸附容量高的四甲基胍质子离子液体。
实现本发明目的采取的技术方案如下：
一种四甲基胍质子离子液体，其特征在于：所述的四甲基胍质子离子液体为1,1,3,3-四甲基胍咪唑类离子液体，其中阳离子为1,1,3,3-四甲基胍离子，阴离子为咪唑离子、2-取代咪唑离子和4-取代咪唑离子中的一种。
所述的1,1,3,3-四甲基胍咪唑类离子液体是由1,1,3,3-四甲基胍和咪唑或2-取代咪唑（2-硝基咪唑和2-烷基咪唑等）、4-取代咪唑（4-硝基咪唑、4-烷基咪唑和4-溴咪唑等）在常温、常压下通过等摩尔中和反应制得，反应时间为12~24小时。
本发明的第二目的是将所述的四甲基胍质子离子液体应用于捕集纯二氧化碳，或者捕集空气、烟道气、废气等混合气体中的二氧化碳，通过吸附和脱附过程，实现对二氧化碳的捕集。
本发明所述的二氧化碳吸附压力可在0.001~0.1MPa，并优选在0.01~0.1MPa之间。
本发明所述的二氧化碳吸附温度可在10~60℃，并优选在20~50℃之间。
采用本发明所述的四甲基胍质子离子液体应用于二氧化碳捕集，二氧化碳吸附时间为0.1~2小时，并优选在0.5~1.5小时。
本发明所述的二氧化碳脱附温度为80~100℃，脱附压力为常压。
其中，常温指20-25℃，常压为标准大气压。本发明中，四甲基胍质子离子液体是由1,1,3,3-四甲基胍和咪唑或2-取代咪唑（2-硝基咪唑和2-烷基咪唑等）、4-取代咪唑（4-硝基咪唑、4-烷基咪唑和4-溴咪唑等）在常温、常压下通过等摩尔中和反应制得，反应时间为12~24小时。
与传统的醇胺水溶液、常规烷基咪唑离子液体和功能化离子液体的方法相比，本发明所采用四甲基胍质子离子液体为吸收剂的方法具有以下有益效果：
（1）四甲基胍质子离子液体原料易得、合成简单和稳定性好等特点，可以大幅减低吸收和脱附过程中溶剂的挥发和损失；
（2）采用四甲基胍质子离子液体为吸收剂来捕集二氧化碳，吸收二氧化碳的容量明显增加，可达1.00摩尔二氧化碳/摩尔离子液体。
具体实施方式
本发明通过以下实施例，进行具体的描述和说明。
四甲基胍质子离子液体的制备：由1,1,3,3-四甲基胍和咪唑或2-取代咪唑（2-硝基咪唑和2-烷基咪唑等）、4-取代咪唑（4-硝基咪唑、4-烷基咪唑和4-溴咪唑等）在常温、常压下通过等摩尔中和反应制备得到。1,1,3,3-四甲基胍咪唑为例，具体制备方法如下：
将0.1mol的1,1,3,3-四甲基胍置于50mL单口瓶中，在常温、常压下，分批加入0.1mol的咪唑，搅拌反应24小时，冷冻干燥后得到1,1,3,3-四甲基胍咪唑离子液体，其外观为无色、透明粘稠状液体。本发明中涉及的其他四甲基胍质子离子液体的制备方法按此法。
实施例1-9
在直径约为1cm、体积为约5mL的玻璃小瓶中，加入四甲基胍质子离子液体，磁力搅拌，控制吸附温度为30℃，然后缓慢通入二氧化碳气体，控制二氧化碳流量为50mL/min，吸附压力为0.1MPa，吸附至饱和后通过分析天平称重，捕集二氧化碳的结果如表1所示。
表1 不同种类的四甲基胍质子离子液体捕集二氧化碳的结果
                                                 
本发明中，mol/mol IL表示每摩尔离子液体所吸附的二氧化碳的物质的量。
实施例10-15
类似于实施例1-9，采用1,1,3,3-四甲基胍咪唑为吸收剂，吸附二氧化碳，改变了吸附温度、吸附时间和二氧化碳压力等条件，吸附结果如表2所示。
与实施例1-9相比，结合表2可以看出，压力对二氧化碳吸量的影响并不明显；0.5小时与1小时的吸附时间对二氧化碳吸附量的影响也不明显；而温度不同，二氧化碳吸附量则会有明显变化，温度越高，采用本发明离子液体吸附的二氧化碳量越低，温度越低则二氧化碳吸附量越高。
表2 不同条件下1,1,3,3-四甲基胍咪唑离子液体捕集二氧化碳的结果
 
Figure 68487DEST_PATH_IMAGE002
实施例16
将实施例1-9中二氧化碳吸附至饱和的离子液体在磁力搅拌下，缓慢通入高纯氮，其中高纯氮流量为30mL/mim，高纯氮的压力为0.1MPa，控制脱附温度为80℃，脱附时间为0.5小时左右，称重结果表明，离子液体中吸收的二氧化碳已经完全脱附。
实施例10-15中不同的吸附条件下，离子液体中吸收的二氧化碳量也不同，因此，相同的脱附条件下，二氧化碳吸收量大时，脱附时间较长，二氧化碳吸收量小时，脱附时间较短，但都可在0.5小时左右即可完全脱附。

Claims (8)

1.一种四甲基胍质子离子液体，其特征在于：所述的四甲基胍质子离子液体为1,1,3,3-四甲基胍咪唑类离子液体，其中阳离子为1,1,3,3-四甲基胍离子，阴离子为咪唑离子、2-取代咪唑离子和4-取代咪唑离子中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种四甲基胍质子离子液体，其特征在于：所述的1,1,3,3-四甲基胍咪唑类离子液体是由1,1,3,3-四甲基胍和咪唑、2-取代咪唑或4-取代咪唑中的一种在常温、常压下通过等摩尔中和反应制得，反应时间为12~24小时。
3.根据权利要求1或2所述的一种四甲基胍质子离子液体，其特征在于：所述的2-取代咪唑为2-硝基咪唑、2-异丙基咪唑和2-烷基咪唑中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的四甲基胍质子离子液体，其特征在于：所述的4-取代咪唑为4-硝基咪唑、4-烷基咪唑和4-溴咪唑中的一种。
5.四甲基胍质子离子液体在捕集二氧化碳方面的应用，其特征在于：所述的四甲基胍质子离子液体可应用于捕集纯二氧化碳，或者捕集空气、烟道气、废气等混合气体中的二氧化碳，通过吸附和脱附过程，实现对二氧化碳的捕集。
6.根据权利要求5所述的四甲基胍质子离子液体在捕集二氧化碳方面，其特征在于：所述的吸附压力为0.001~0.1MPa，吸附温度为10℃~60℃。
7.根据权利要求6所述的四甲基胍质子离子液体在捕集二氧化碳方面的应用，其特征在于：所述的吸附压力为0.01~0.1MPa，吸附温度为20℃~50℃。
8.根据权利要求5所述的四甲基胍质子离子液体在捕集二氧化碳方面的应用，其特征在于：所述的脱附温度为80~100℃，常压下进行。
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