CN110385014B - 一种二氧化碳吸收剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳吸收剂，是以聚乙烯亚胺(PEI)作为氢键受体、乙二醇(EG)作为氢键供体的低共熔溶剂。本发明低共熔溶剂可以空气条件下以较高的溶解度吸收二氧化碳。本发明低共熔溶剂原料无毒无害、价廉易得，二氧化碳吸收方法简单高效、绿色环保。

Description

一种二氧化碳吸收剂
技术领域
本发明涉及一种安全环保的绿色吸收剂，具体地说是一种二氧化碳吸收剂。
背景技术
煤、石油、天然气是人类能源的三大支柱，这些能源的使用会产生大量二氧化碳(CO2)的排放，高达300亿吨/年。众所周知，二氧化碳是一种“温室”气体，大气中二氧化碳含量的逐年升高会造成温室效应，导致全球气候变暖。这是当前全世界面临的一个严重的环境问题。因此，减少大气中二氧化碳的排放意义重大。而且二氧化碳是一种资源且储量丰富，如果可以科学合理的资源化，将会变废为宝。因此，二氧化碳的捕集尤为重要。
目前，二氧化碳的捕集方法主要包括：化学法、物理法和物理-化学法。化学法主要利用氨水、氢氧化钠、氢氧化钾溶液等通过化学反应对二氧化碳进行吸收；物理法主要包括：物理吸收法、吸附法、膜分离法等；物理-化学法主要为二氧化碳分解法。三种吸收法各有利弊，如物理-化学法耗能较为严重，而化学吸收法会生成有毒物质造成环境污染，物理吸收法成效率较低。
目前，利用醇胺水溶液吸收二氧化碳是比较成熟的工艺，但小分子醇胺水溶液性质不稳定，容易挥发或发生氧化反应而在循环使用的过程中造成吸收剂的损失，并且由于其较强的碱性会对设备产生严重的腐蚀。为了改善醇胺水溶液的不足，有人开发了多孔固体吸收材料。该类材料中以多孔固体颗粒为载体，将大分子的聚乙烯亚胺负载在固体颗粒上以达到吸收二氧化碳的目的。但是，由于传质阻力的存在导致二氧化碳很难进入固体内部，所以吸收效率较低。对此，本发明采用了PEI和EG形成的低共熔溶剂作为二氧化碳吸收剂。其中，高分子PEI性质稳定、不易挥发而且氨基密度高。同时，低共熔性质特别稳定、廉价易得和安全绿色，而且在循环使用的过程中不会造成吸收剂的损失。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种二氧化碳吸收剂。本发明二氧化碳吸收剂可以在常温空气条件下吸收高达1.31mol/kg的二氧化碳，具有操作简单，过程绿色清洁无污染等优点。
本发明二氧化碳吸收剂，是以聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine，PEI)作为氢键受体、以乙二醇(EG)作为氢键供体获得的低共熔溶剂。该低共熔溶剂能够在常温常压以及空气条件下吸收二氧化碳。
本发明二氧化碳吸收剂，是将干燥后的聚乙烯亚胺和乙二醇混合后置于373.15K下搅拌直至形成透明的均一溶液，即得低共熔溶剂。
所述聚乙烯亚胺的分子量为600-10000g/mol，分子量越高吸收效果越好。
低共熔溶剂中PEI浓度为0.10-15wt％，PEI浓度为5wt％时吸收效果最好。其中，浓度采用的计算方法是PEI占溶液质量的百分比。
本发明中，对于聚乙烯亚胺-乙二醇溶液体系的表征包括：(1)密度测定使用25mL比重瓶(国药化学试剂)；(2)电导率测定使用EC-1800TDS电导率仪(冀申科技)；(3)粘度测定使用NDJ-5S旋转粘度计(上海昌吉地质仪器)；(4)熔点测定使用Q2000差示扫描量热法(TA)；(5)体系内分子间相互作用测定使用Nicolet 67傅里叶红外光谱仪分析(美国ThermoNicolet)。
表征结果包括：对于PEI-EG溶液体系的密度随温度的升高而线性降低，随着PEI浓度的增加而降低，随着PEI分子量的增加而降低；电导率和粘度与温度的关系符合阿伦尼乌斯公式，随PEI浓度的增加，电导率减小，粘度增大；DSC结果表明PEI-EG溶液体系的熔点比各个纯组分的熔点都低，说明PEI-EG溶液体系形成了二元低共熔溶剂；红外光谱测试结果表明体系内无新的相互作用形成，这可能是因为氢键作用相互“掩盖”的结果。
本发明在PEI-EG形成的低共熔溶剂中，通过使用不同分子量和不同浓度的PEI，形成均相溶液体系，并进行相关的表征。本发明中二氧化碳吸收剂的原料价廉易得，制备方法简单，能够替代传统的有毒有害的有机溶剂。本发明提供了一种能够吸收CO2的新型绿色溶剂，对于优化二氧化碳的捕集方法的具有重要意义。
本发明与现有技术相比，有益效果体现在：
1、吸收能力强。在常温常压下，21wt％3DAM1P可吸收二氧化碳0.4386mol/g、LA：ACC(3:1)可吸收0.0576mol/g、ChCl：Urea(1:2)可吸收0.2784mol/g，而5wt％PEI10000/EG可吸收1.3102mol/g，其吸收能力远高于前者。
2、回收能耗低。5wt％PEI10000/EG二氧化碳溶解度随温度的变化率为-0.0505mol/g/K，而ChCl：Urea(1:2)为-0.00146mol/g/K，LA：ACC(3:1)为-0.0009mol/g/K，相比之下5wt％PEI10000/EG更易升温解析。
3、该二氧化碳吸收剂的原料PEI和乙二醇价廉易得，无毒无害，相比现有技术具有更好的“绿色”特性。
4、本发明的PEI-乙二醇溶液属于无水体系，既适合于无水条件下的应用，也适合于有水条件下的应用。
5、与有机溶剂相比，该二氧化碳吸收剂性质具有性质稳定、挥发低、毒性低等优点。
附图说明
图1是本发明二氧化碳吸收装置示意图，主要包括四个部分(1)控温(2)称量(3)搅拌(4)CO2气源。
图2是本发明实施例1-4，在PEI分子量为10000时，浓度为15.0wt％时对CO2的溶解度。从图2中可以看出，温度越高达到平衡时间越短，而低温达到平衡的时间相对较长。
图3是本发明与文献当中的CO2吸收剂之间的吸收效果对比图，图中从上往下的第2-5条线所代表的是本发明所设计的CO2吸收剂。从图3中可以看出，5wt％PEI10000/EG溶剂比21wt％3DAM1P、LA：ACC(3:1)、ChCl：Urea(1:2)等溶剂吸收二氧化碳效果更好。
具体实施方式
实施例1：5％wt聚乙烯亚胺(Mw＝600)-乙二醇低共熔溶剂在303.15K、313.15K、323.15K、333.15K和343.15K吸收CO2
按聚乙烯亚胺-乙二醇的质量比为1：19称取一定量的药品分别加入到100mL的螺口瓶中，将螺口瓶放置在373.15K的烘箱中，直至形成均一澄清透明的液体，即为低共熔溶剂；待冷却后，利用装置测定不同温度下该低共熔溶剂对CO2的溶解度，测试步骤①开启称重装置，对空烧杯进行称重，将待测液体倒入空烧杯，倒入约五分之四左右。②将搅拌棒、热电偶、CO2通气管固定好，记录原始重量③开启搅拌器及控温系统，搅拌器转速保持不变，设定所需测量的温度。④达到所需测量的温度后关闭搅拌，待天平示数稳定后读取天平的读数。⑤重复步骤三，将CO2阀打开，控制气泡每秒五六个为宜。⑥每隔15分钟记录一次天平的重量，记录前关闭搅拌、CO2通气管。⑦直到重量不再增加为止，说明CO2吸收达到饱和。⑧其他温度如上述步骤所示，为了防止测定前一个温度吸收CO2溶剂对后一个温度的影响，每个待测温度所需的溶液均为重新配置的溶液，其他待测溶液测定方法类似。聚乙烯亚胺-乙二醇(1：19)在303.15K下CO2溶解度为2.9872g/100g，在313.15K下CO2溶解度为2.9062g/100g，在323.15K下CO2溶解度为2.8123g/100g，在333.15K下CO2溶解度为2.7614g/100g，在343.15K下CO2溶解度为1.403g/100g。
实施例2：5％wt聚乙烯亚胺(Mw＝1800)-乙二醇低共熔溶剂在303.15K、313.15K、323.15K、333.15K和343.15K吸收CO2
按聚乙烯亚胺-乙二醇的质量比为1：19称取一定量的药品分别加入到100mL的螺口瓶中，将螺口瓶放置在373.15K的烘箱中，直至形成均一澄清透明的液体，即为低共熔溶剂；待冷却后，利用装置测定不同温度下该低共熔溶剂对CO2的溶解度，聚乙烯亚胺-乙二醇(1：19)在303.15K下CO2溶解度为3.6887g/100g，在313.15K下CO2溶解度为2.9062g/100g，在323.15K下CO2溶解度为2.4162g/100g，在333.15K下CO2溶解度为0.5999g/100g，在343.15K下CO2溶解度为0.5135g/100g。
实施例3：5％wt聚乙烯亚胺(Mw＝10000)-乙二醇低共熔溶剂在303.15K、313.15K、323.15K、333.15K和343.15K吸收CO2
按聚乙烯亚胺-乙二醇的质量比为1：19称取一定量的药品分别加入到100mL的螺口瓶中，将螺口瓶放置在373.15K的烘箱中，直至形成均一澄清透明的液体，即为低共熔溶剂；待冷却后，利用装置测定不同温度下该低共熔溶剂对CO2的溶解度，聚乙烯亚胺-乙二醇(1：19)在303.15K下CO2溶解度为5.7649g/100g，在313.15K下CO2溶解度为3.5401g/100g，在323.15K下CO2溶解度为2.2492g/100g，在333.15K下CO2溶解度为2.0746g/100g，在343.15K下CO2溶解度为1.7354g/100g。
实施例4：15％wt聚乙烯亚胺(Mw＝10000)-乙二醇低共熔溶剂在303.15K、313.15K、323.15K、333.15K和343.15K吸收CO2·
按聚乙烯亚胺-乙二醇的质量比为3：17称取一定量的药品分别加入到100mL的螺口瓶中，将螺口瓶放置在373.15K的烘箱中，直至形成均一澄清透明的液体，即为低共熔溶剂；待冷却后，利用装置测定不同温度下该低共熔溶剂对CO2的溶解度，聚乙烯亚胺-乙二醇(1：19)在303.15K下CO2溶解度为1.9368g/100g，在313.15K下CO2溶解度为3.4719g/100g，在323.15K下CO2溶解度为2.1040g/100g，在333.15K下CO2溶解度为1.3828g/100g，在343.15K下CO2溶解度为1.2996g/100g。

Claims (2)

1.一种二氧化碳吸收剂，其特征在于：
以聚乙烯亚胺作为氢键受体、以乙二醇作为氢键供体获得的低共熔溶剂；具体是将干燥后的聚乙烯亚胺和乙二醇混合后置于373.15K下搅拌直至形成透明的均一溶液，即得低共熔溶剂；低共熔溶剂中聚乙烯亚胺的浓度为0.10-15wt%；
所述聚乙烯亚胺的分子量为600-10000g/mol；
所述低共熔溶剂能够在常温常压以及空气条件下吸收二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳吸收剂，其特征在于：
低共熔溶剂中聚乙烯亚胺的浓度为5wt%。
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