CN102921281B - 一种利用多位点协同效应来明显提高碳捕集性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用多位点协同效应来明显提高碳捕集性能的方法，是以一种弱碱性的含多个作用位点的功能化离子液体为吸收剂，来吸收二氧化碳气体，吸收压力为0.0001～0.2MPa，吸收温度为10℃～100℃下，吸收时间为0.1～2小时；脱附温度在80～150℃之间，脱附时间在0.1～3小时之间。具有离子液体稳定性好、吸收容量高、易脱附等优点，是一种极具工业应用潜力的捕集二氧化碳的方法。

Description

一种利用多位点协同效应来明显提高碳捕集性能的方法
技术领域
本发明涉及一种采用含多个作用位点的碱性离子液体，应用于二氧化碳的化学捕集中，利用多位点协同效应，来实现二氧化碳高容量、低能耗、可循环的捕集方法，为二氧化碳的工业捕集提供有潜力的方法。
背景技术
随着人类社会的快速发展和人民生活水平的提高，温室效应所带来的气候变化已经越来越成为人类所面临的重大环境问题。近些年来，二氧化碳作为一种主要的温室气体，其排放量逐年升高，加剧了温室效应，严重影响了人类的生存和生态环境，其捕集、封存和利用已经引起了国内外的广泛关注。此外，二氧化碳还可以转化为各种重要的有机化工原料或化学燃料，是一种十分重要的碳一原料。因此，开发二氧化碳吸收分离技术是各国科学家共同关注的前沿热点问题。
目前，传统的工业捕集二氧化碳的方法是30%的醇胺水溶液吸收法，该方法具有成本低、吸收快、容量大等优点，但也存在一些明显的局限性：如溶剂易挥发，设备易腐蚀，吸收剂易氧化及再生能耗高等。近些年来，离子液体作为一种阴阳离子组成的绿色溶剂，由于其具有稳定性好、挥发性低、液程宽、二氧化碳溶解能力强、可设计性等优点，为发展新的二氧化碳工业捕集方法提供了机会。许多研究者采用实验及理论方法研究了二氧化碳在不同离子液体中的溶解性。如Blanchard等测定了二氧化碳在6种不同咪唑型离子液体中不同压力下的溶解度，表明二氧化碳在离子液体中的溶解度在高压下较大，但在常压下较小。和醇胺法相比，二氧化碳在离子液体中的物理捕集的吸收能较小，约为20kJ mol-1，仅为醇胺法的四分之一左右。另一种方法是采用功能化的离子液体来进行二氧化碳的化学捕集。如，Davis等首次采用含阳离子侧链上含有胺基的咪唑型离子液体来吸收二氧化碳，表明该离子液体在常压下可吸收约0.5摩尔二氧化碳每摩尔离子液体。后来，许多研究者发展了其它含氨基的季磷型、咪唑型离子液体及含氨基酸阴离子的季磷型离子液体。最近，Wang等采用含唑基阴离子和酚基阴离子的功能化离子液体来捕集二氧化碳，其吸收容量约为1.0摩尔每摩尔。目前离子液体捕集二氧化碳的主要问题是，物理吸收尽管吸收能较小，但吸收容量太小；而化学吸收容量接近1.0摩尔每摩尔，吸收能较大，一般大于60kJ mol-1。如何通过离子液体的结构设计，使其吸收容量明显提高，大于1.5摩尔每摩尔，而吸收能较低（<40kJ mol-1），是目前二氧化碳捕集研究中的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种高容量的、低能耗的多位点的碱性离子液体捕集二氧化碳的新方法。
本发明的具体技术方案如下；
 本发明提供的一种离子液体捕集二氧化碳的高容量、低能耗的方法，是以一种新型的含有多个作用位点的弱碱性离子液体为吸收剂，来吸收二氧化碳气体，吸收压力为0.0001～0.2 MPa，吸收温度为10℃～100℃，吸收时间为0.1～3小时，这样可实现二氧化碳高容量、低能耗、快速的吸收，所述的吸收的二氧化碳是十分容易脱附的，脱附温度在80～160℃之间，脱附时间在0.1～3小时之间。
 本发明所述的弱碱性的含有多个作用位点的离子液体为十四烷基三己基磷2-羟基吡啶、十四烷基三己基磷3-羟基吡啶、十四烷基三己基磷4-羟基吡啶、十四烷基三己基磷羟基喹啉、丁基三己基磷2-羟基吡啶、丙基三己基磷2-羟基吡啶、丙基三己基磷苯3-羟基吡啶、丙基三己基磷4-羟基吡啶、乙基三丁基磷2-羟基吡啶、丙基三己基磷羟基喹啉、乙基甲基咪唑2-羟基吡啶、乙基甲基咪唑3-羟基吡啶、乙基甲基咪唑4-羟基吡啶、丁基甲基咪唑2-羟基吡啶、丁基甲基咪唑3-羟基吡啶、丁基甲基咪唑4-羟基吡啶、乙基甲基咪唑羟基喹啉、丁基甲基咪唑羟基喹啉、三丁基乙基铵2-羟基吡啶、三丁基乙基铵3-羟基吡啶、三丁基乙基铵4-羟基吡啶和三丁基乙基铵羟基喹啉中的任意一种。这些离子液体可以按照文献的方法，以2-羟基吡啶、3-羟基吡啶、羟基喹啉等和十四烷基三己基磷氢氧化物、乙基甲基咪唑氢氧化物等为原料，通过酸碱中和法反应得到，后者可通过强碱性阴离子交换树脂法来合成。这些离子液体的稳定性很高，分解温度大于250℃。
本发明所述的弱碱性的含有多个作用位点的离子液体优选为十四烷基三己基磷2-羟基咪唑。
本发明所述的二氧化碳压力在0.01到0.1MPa大气压之间。
本发明所述的二氧化碳吸收温度在30℃～60℃之间。
本发明所述的二氧化碳吸收时间在0.5～2小时之间。
本发明所述的脱附温度在80～120℃之间。
本发明所述的二氧化碳脱附时间在0.5～2小时之间。
本发明所述的二氧化碳吸收能在-20 kJ mol-1到-50 kJ mol-1之间，并优选为吸收能在-25 kJ mol-1到-40 kJ mol-1之间。
本发明的有益效果如下：
与传统方法相比，本发明所采用的方法是十分新颖的，具有如下特性：1）避免了体系吸收二氧化碳后氢键网络的形成，降低了体系吸收二氧化碳后的粘度，明显加快了反应的速度；2）由于离子液体含有多个作用位点，使其二氧化碳吸收容量明显提高，可达到1.5摩尔每摩尔离子液体以上；3）由于离子液体与二氧化碳之间存在多位点的协同效应，降低了二氧化碳的吸收能，使二氧化碳的化学吸收能值低于40kJ mol-1。
具体实施方式
以下的实施例将对本发明进行更为全面的描述。
实施例1
在一内径为1cm的5ml玻璃容器中，加入离子液体十四烷基三己基磷三唑（[P66614][2-Hyp]）1.2g(0.02mol)，然后缓慢通入二氧化碳气体，流量60ml/min，压力0.1MPa，控制吸收温度为20℃，控制吸收时间为1.0小时，称重表明该离子液体中二氧化碳的吸收容量为1.58摩尔每摩尔离子液体。该离子液体的吸收能为-33kJ mol-1。
实施例2-8
    类似于实施例1，控制二氧化碳气体压力为0.1 MPa，吸收温度为20℃，改变离子液体的种类，二氧化碳吸收的结果如下表（表1）：
表1 不同离子液体种类对二氧化碳捕集的影响
实施例9-20
类似于实施例1，采用十四烷基三己基磷2-羟基吡啶为吸收剂，吸收二氧化碳气体，改变吸收温度、气体压力和吸收时间等条件，吸收结果如下表（表2）：
表2 不同吸收条件对二氧化碳吸收的影响
序号 压力（MPa） 温度（℃） 时间（h） 二氧化碳吸收量（mol/mol IL）
8 0.1 30 1.0 1.42
9 0.1 40 1.0 1.39
10 0.1 50 1.0 1.22
11 0.1 60 0.5 1.13
12 0.1 70 0.5 0.93
13 0.1 80 0.5 0.71
14 0.1 100 0.5 0.49
15 0.1 120 0.5 0.37
16 0.05 20 2.0 1.49
17 0.01 20 2.0 1.32
18 0.01 40 1.5 1.05
19 0.01 60 1.0 0.72
20 0.01 100 0.5 0.31
实施例21
在一内径为1cm的5ml玻璃容器中，加入已吸收二氧化碳的离子液体十四烷基三己基磷2-羟基吡啶1.3g(0.02mol)，然后缓慢通入氮气，流量60ml/min，压力0.1MPa，控制脱附温度为80℃，控制脱附时间为1.0小时，称重表明该离子液体中吸收的二氧化碳已完全脱附。
实施例22-28
    类似于实施例21，控制氮气压力为0.1 MPa，流量60ml/min，改变离子液体的种类和脱附的温度，脱附的结果如下表（表3）：
表3 不同离子液体种类对二氧化碳脱附的影响

Claims (6)

1.一种利用多位点协同效应来明显提高二氧化碳捕集性能的方法，其特征是以一种弱碱性的含有多个作用位点的离子液体为吸收剂，来吸收二氧化碳气体，吸收压力为0.0001～0.2MPa，吸收温度为10℃～100℃，吸收时间为0.1～2小时；所述吸收的二氧化碳脱附温度在80～160℃之间，脱附时间在0.1～3小时之间，所述的弱碱性的含有多个作用位点的离子液体为十四烷基三己基磷2-羟基吡啶、十四烷基三己基磷3-羟基吡啶、十四烷基三己基磷4-羟基吡啶、十四烷基三己基磷羟基喹啉、丁基三己基磷2-羟基吡啶、丙基三己基磷2-羟基吡啶、丙基三己基磷苯3-羟基吡啶、丙基三己基磷4-羟基吡啶、乙基三丁基磷2-羟基吡啶、丙基三己基磷羟基喹啉、乙基甲基咪唑2-羟基吡啶、乙基甲基咪唑3-羟基吡啶、乙基甲基咪唑4-羟基吡啶、丁基甲基咪唑2-羟基吡啶、丁基甲基咪唑3-羟基吡啶、丁基甲基咪唑4-羟基吡啶、乙基甲基咪唑羟基喹啉、丁基甲基咪唑羟基喹啉、三丁基乙基铵2-羟基吡啶、三丁基乙基铵3-羟基吡啶、三丁基乙基铵4-羟基吡啶和三丁基乙基铵羟基喹啉、十四烷基三己基磷2-羟基咪唑中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的二氧化碳压力在0.01到0.1MPa大气压之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的二氧化碳吸收温度在30℃～60℃之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的二氧化碳吸收时间在0.5～2小时之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的脱附温度在80～120℃之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的二氧化碳脱附时间在0.5～2小时之间。
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