CN108434938A - 一种具有双活性组分的co2化学吸收剂 - Google Patents

一种具有双活性组分的co2化学吸收剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型的CO2化学吸收剂，该吸收剂由两种可分别与CO2发生可逆化学反应的活性组分构成，其中一种组分为聚乙烯亚胺类化合物，另一种组分为咪唑羧酸盐类化合物。聚乙烯亚胺类化合物中氨基密度高，为CO2的化学吸收提供了大量活性位点，是主吸收剂。咪唑羧酸盐类化合物则可通过形成氮杂环卡宾来化学吸收CO2，其本身粘度较小，且吸收CO2后粘度变化不大，起到助吸收剂和稀释剂的作用。本发明提供的CO2化学吸收剂具有吸收容量大、再生性好的特点。同时，主吸收剂和助吸收剂的挥发性都极低，稳定性高。

Description

一种具有双活性组分的CO2化学吸收剂
技术领域
本发明涉及一种CO2化学吸收剂，以及该吸收剂在CO2捕集领域中的应用。
背景技术
当前，由温室效应所引起的全球气候变暖已成为了一个日益严峻的环境问题，这可能会造成两极冰川融化、海平面上升，并对人类的生存环境以及地球生态带来毁灭性的打击。CO2是一种最主要的温室气体，它在大气中的不断累积是造成温室效应的最主要原因。CO2的排放源主要是工业生产中化石燃料的燃烧和利用所产生的尾气，对工业尾气中的CO2进行捕集具有重要的环境意义。
目前，工业上应用最广的CO2捕集技术是有机胺化学吸收法，它利用有机胺与CO2之间的可逆化学反应来实现CO2的捕集。而有机胺与CO2反应的产物氨基甲酸盐具有复杂的氢键网络，为避免吸收剂在吸收CO2后粘度极剧变大，造成其在管道中的输送困难，常需使用稀释剂来对有机胺进行稀释，常见的稀释剂有水、甲醇、乙二醇、环丁砜等。一方面，有机胺和稀释剂的挥发性都较大，易产生挥发性有机化合物，不符合绿色化工过程的要求。另一方面，这些稀释剂本身与CO2的相互作用较弱，仅具有物理溶解作用，这就会造成稀释后的有机胺溶液的CO2容量损失较大，因此，急需开发高效、稳定且绿色、环保的新型CO2化学吸收剂。
聚乙烯亚胺是一类聚合胺基化合物，它的挥发性极低、稳定性高且氨基密度大，但是本身粘度大，且吸收CO2后粘度也会极剧增加。咪唑羧酸盐是一类离子液体化合物，具有液程宽、挥发性极低、稳定性高等特点。相关研究表明，咪唑羧酸盐对CO2具有一定的化学亲和性，但其本身粘度较低，且吸收CO2后粘度变化不大(Yokozeki et al.,J.Phys.Chem.B2008,112,16654-16663；Chen et al.,AIChEJ.2018,64,632-639)。本发明提出，以聚乙烯亚胺类化合物为主吸收剂，咪唑羧酸盐为助吸收剂和稀释剂来构建新型的CO2化学吸收剂。该吸收剂可快速、高效地从工业气中捕集CO2，且吸收剂可通过加热和减压来再生。这样由两种可分别与CO2发生可逆化学反应的活性组分构成的CO2吸收剂尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO2化学吸收剂，该吸收剂由两种可分别与CO2发生可逆化学反应的活性组分构成，其中一种组分是聚乙烯亚胺类化合物，另一种组分是咪唑羧酸盐类化合物。所述聚乙烯亚胺类化合物的结构通式为：
所述咪唑羧酸盐类化合物的结构通式如下：
(R1＝-CH2CH3、-(CH2)3CH3、-(CH2)5CH3、-(CH2)7CH3或-(CH2)9CH3，R2＝-H、-CH3、-CH2CH3、-(CH2)2CH3或-CH(OH)CH3)。
聚乙烯亚胺对CO2具有较强的化学亲和性，其原理是胺基可与CO2发生可逆化学反应生成氨基甲酸盐。咪唑羧酸盐对CO2也具有一定的化学亲和性，其原理则是氮杂环卡宾与CO2发生可逆化学反应生成加合物。聚乙烯亚胺本身粘度较大，且吸收CO2后粘度会极剧增加，在这里作为主吸收剂。咪唑羧酸盐本身粘度较低，且吸收CO2后粘度变化不大，在这里作为助吸收剂和稀释剂。
在上述新型CO2化学吸收剂中，聚乙烯亚胺类化合物的质量分数为5～30％，咪唑羧酸盐类化合物的质量分数为70～95％。将两种活性组份按照上述比列混合均匀，即可制得本发明所述的吸收剂。
所述CO2化学吸收剂中控制吸收温度为25～100℃，吸收压力为0.01～3MPa。
所述CO2化学吸收剂中控制再生温度为75～150℃，再生压力为0.0001～0.01MPa。
本发明所述的新型CO2化学吸收剂可用于烟道气、天然气、合成气等工业气中CO2的捕集。
本发明的有益效果：
与现有技术中的CO2吸收剂相比，本发明所提供的吸收剂具有更高的CO2捕集效率，可快速、高效地从工业气中捕集CO2，且吸收剂可通过加热和减压来再生，本发明制备的吸收剂稳定、绿色、环保，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
以下通过具体实施例来对本发明进行进一步说明，但是本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
分别称取聚乙烯亚胺(支型，重均相对分子量为800)0.05g和1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐0.95g，将其混合均匀，制得本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例2
分别称取二乙烯三胺0.10g和1-乙基-3甲基咪唑乙酸盐0.90g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例3
分别称取三乙烯四胺0.10g和1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐0.90g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例4
分别称取四乙烯五胺0.10g和1-乙基-3-甲基咪唑丁酸盐0.90g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例5
分别称取五乙烯六胺0.10g和1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐0.90g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例6
分别称取二乙烯三胺0.10g和1-乙基-3-甲基咪唑丁酸盐0.90g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例7
分别称取二乙烯三胺0.20g和1-乙基-3甲基咪唑乙酸盐0.80g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例8
分别称取三乙烯四胺0.20g和1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐0.80g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例9
分别称取四乙烯五胺0.20g和1-乙基-3-甲基咪唑丁酸盐0.80g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例10
分别称取五乙烯六胺0.20g和1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐0.80g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例11
分别称取二乙烯三胺0.20g和1-乙基-3-甲基咪唑丁酸盐0.80g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例12
分别称取四乙烯五胺0.30g和1-乙基-3-甲基咪唑乳酸盐0.70g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例13
分别称取三乙烯四胺0.30g和1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐0.70g，将以上两种化合物混合，搅拌均匀，即可得到本发明所述的CO2化学吸收剂。
实施例1～8所述的吸收剂在不同温度下的密度和粘度如下表所示
表1吸收剂在不同温度下的密度(g/cm3)
表2吸收剂在不同温度下的粘度(cP)
T(℃) 20 25 30 40 50 60 70 80
实施例1 363.3 250.4 177.6 98.2 53.8 35 23.3 15.8
实施例2 406.2 287.5 198.7 103.2 61.4 39.1 26.2 17.2
实施例3 475.5 329.2 227.8 117.5 70.6 43 28 18.9
实施例4 613.4 408.6 288.7 147.6 84.1 41.3 33.7 21.6
实施例5 748.2 502.8 340.6 175.5 97.6 58.8 38.3 25.9
实施例6 1206 812.3 562.4 231.7 138.6 67.4 49.7 28.6
实施例7 1775 1153 763.6 362.8 179.9 100.6 63.4 42.5
实施例8 2031 1358 923.7 564.8 212.7 139.2 97.5 67.3
每次称取10g实施例1所述的吸收剂置于吸收池中，在25℃、40℃、75℃、下通入0.01MPa、0.02MPa、0.05MPa、0.1MPa压力的CO2并不断搅抖，待吸收达到平衡后通过吸收池中压力的变化来计算CO2的吸收量，其结果见表3
表3
0.01MPa 0.02MPa 0.05MPa 0.1MPa
25℃ 1.56mol/kg 1.89mol/kg 2.21mol/kg 2.51mol/kg
40℃ 1.36mol/kg 1.57mol/kg 2.02mol/kg 2.31mol/kg
75℃ 1.16mol/kg 1.38mol/kg 1.92mol/kg 2.18mol/kg
每次称取10g实施例2、实施例3、实施例4、实施例5所述的吸收剂置于吸收池中，在75℃下通入0.01MPa、0.02MPa、0.05MPa、0.1MPa压力的CO2并不断搅抖，待吸收达到平衡后通过吸收池中压力的变化来计算CO2的吸收量，其结果见表4
表4
0.01MPa 0.02MPa 0.05MPa 0.1MPa
实施例2 1.53mol/kg 1.71mol/kg 1.98mol/kg 2.21mol/kg
实施例3 1.58mol/kg 1.76mol/kg 2.02mol/kg 2.27mol/kg
实施例4 1.67mol/kg 1.83mol/kg 2.13mol/kg 2.42mol/kg
实施例5 2.53mol/kg 2.82mol/kg 3.24mol/kg 3.48mol/kg
将实施例1、实施例2所制得的吸收剂在75℃下对CO2的吸收量后，将吸收剂加热到100℃并抽真空至0.0001MPa进行再生，再生时间为2h，再生完成后再次测定实施例1、实施例2所述的吸收剂在75℃和0.1MPa下对CO2的吸收量，如此重复10次，实验结果见表5。
表5
上述数据可以得出本发明制备的吸收剂，吸收容量大、速率快、且可再生，对环境友好。

Claims (5)

1.一种具有双活性组分的CO2化学吸收剂，其特征在于：该吸收剂由聚乙烯亚胺类化合物和咪唑羧酸盐类化合物构成，所述聚乙烯亚胺类化合物的结构通式如下：
所述咪唑羧酸盐类化合物的结构通式如下：
其中R1＝-CH2CH3、-(CH2)3CH3、-(CH2)5CH3、-(CH2)7CH3或-(CH2)9CH3，R2＝-H、-CH3、-CH2CH3、-(CH2)2CH3或-CH(OH)CH3。
2.根据权利要求1所述一种具有双活性组分的CO2化学吸收剂，其特征在于：吸收剂中聚乙烯亚胺类化合物的质量分数为5～30％，咪唑羧酸盐类化合物的质量分数为70～95％。
3.根据权利要求1所述一种具有双活性组分的CO2化学吸收剂，其特征在于：所述CO2化学吸收剂在CO2捕集中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：吸收温度为25～100℃，吸收压力为0.01～3MPa。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：再生温度为75～150℃，再生压力为0.0001～0.01MPa。
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