CN112500838A - 一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂 - Google Patents

一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，属于吸收式制冷和气体分离技术领域，所述的胆碱类低共熔溶剂是由季铵盐氯化胆碱作为氢键受体，小分子多元醇或尿素等作为氢键供体组成的类离子液体溶液。原料取材广泛，造价低廉，制备过程简单且绿色环保。该类低共熔溶剂能够对多种具有极性的气体分子包括NH3、R134a等高效吸收，通过H2O分子进行组分调节，可改变粘性，在吸收过程具有提高粘性，提升其在换热表面驻留时间和增加表面稳定性，在输运过程降低粘性减小流体机械泵的功耗，使其成为具有高效吸收、高效循环效率的吸收剂。

Description

一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂
技术领域
本发明涉及吸收式制冷和气体分离领域，特别涉及一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂。
背景技术
制冷、空调和热泵为人和设备提供热舒适性环境，主流的压缩式制冷系统消耗了大量的能源。随着我国能源消耗不断增长，采用余热、地热和太阳能热等驱动的吸收式制冷、热泵技术在降低一次能源消耗的同时，能够大幅减少二氧化碳和大气污染物排放，其可使用太阳能热、地热以及余热作为驱动力，在多联产、能源互联网等先进节能系统中逐渐起到更重要作用，除此之外，吸收式热化学储能具有储能密度高、稳定、高效的特点，能够解决新能源领域中可再生能源的不稳定性问题，实现大时间跨度储能，且与吸收式制冷、热泵技术具有天然的结合能力，是同时能源转化和存储的理想方式。
目前，吸收循环通过工质对的状态变化实现制冷、热泵或动力输出的目标，对于性能更优异的新型吸收式工质对的开发的需求十分迫切。新型吸收式工质对的提出及其性能研究，从吸收过程传热传质能力，热源驱动温度和综合循环性能等方面展开评价和优化，在保证与传统吸收式工质对具有相近的热力学性能的同时，亟需解决现有吸收式工质对的安全性、环保性、经济性等问题。吸收能力的直接影响因素包括制冷剂在溶液界面处及内部的传质能力和溶液由界面向冷却侧的传热能力。在准稳态条件下，吸收式工质对吸收能力最常被简化为溶解度的大小，微观层面根据不同种类工质对，需要考虑离子强度、分子间极性、溶质与溶剂缔合作用大小等，宏观热力学参数则采用超额自由能粗略集中表征；而动态特性则还需考虑制冷剂和溶液之间的传质扩散及流动情况等。目前，主要通过两类具有代表性的工质研究方向展开优化：1）强化传热传质，2）新型工质对构建和筛选。
因此，开发一种新型绿色环保的新型吸收式工质对，对于实现能源高效利用、生态绿色环保具有重要的意义。本方法采用具有绿色环保可以快速生物降解的胆碱类低共熔溶剂作作为吸收剂，吸收氨、氟氯烷烃或烯烃类制冷剂，采用水作为粘度调节手段，在吸收过程中降低水分含量，增大吸收剂驻留时间；在输运过程提高水分含量降低低共熔溶剂粘性，从而降低输送所需能耗。与传统吸收式工质相比，本发明具有如下优点：（1）所使用的工质对取材广泛、成本低廉，不受其他行业发展制约；（2）工质对环境友好，具有快速的生物降解性，无毒害作用做到真正的绿色环保；（3）对制冷或热泵工质具有选择性吸收，可实现深度的低品位余热回收；（4）较常规离子液体吸收和再生传质效率高，吸收系统结构可以更加紧凑，易于吸收式系统小型化；（5）通过调节粘度后的低共熔溶剂所需泵的功耗低，提高了系统总体性能，并降低由于动力部件产生的系统的故障概率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，所述溶剂是由胆碱类季铵盐为氢键受体，多元醇、羧酸和酰胺类氢键供体组成低共熔溶剂，其中胆碱类季铵盐通式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，
其中阳离子为胆碱类有机分子阳离子，所述胆碱类氢键受体阴离子X-为卤素、硝酸根、硝酸根、硫酸氢根、磷酸氢根等强酸根或强酸氢根阴离子，其中组成低共熔溶剂中氢键供体的组分应为小分子多元醇，如乙二醇、丙二醇、丙三醇，或尿素等，其中小分子氢键供体根据分子中可以成氢键的羟基数不同，与胆碱类氢键受体摩尔比通常为1:2/1:3/2:3等不同配比。
优选的，所述溶剂吸收温度最低为-15℃，最高温度为75℃。
优选的，所述溶剂可再生利用，所使用热能品位低，再生温度低于120℃。
优选的，所述溶剂利用水的低粘性、高分子极性结合低共熔溶剂中的氢键受体位点，可采用吸收添加少量调节吸收后弱溶液粘度，摩尔浓度一般低于5%。
优选的，所述溶剂适合应用于单效吸收式制冷循环吸收器中制冷剂的吸收，制冷机组中制冷剂的回收。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中，低共熔溶剂在较低温度下具有更高的吸收能力，但更低的温度下粘度成百上千倍增加，吸收过程在换热壁面停留时间过长则影响质量流量，进而影响吸收效率和制冷量。通过增加H2O组分进行有效粘度调节，在少量降低氢键结合点位的同时，大大增加了流动性，进而增大了传质扩散系数，提高了吸收率。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
本发明涉及一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，溶剂是由胆碱类季铵盐为氢键受体，多元醇、羧酸和酰胺类氢键供体组成低共熔溶剂，其中胆碱类季铵盐通式为：
Figure 191937DEST_PATH_IMAGE001
，
其中阳离子为胆碱类有机分子阳离子，胆碱类氢键受体阴离子X-为卤素、硝酸根、硝酸根、硫酸氢根、磷酸氢根等强酸根或强酸氢根阴离子，其中组成低共熔溶剂中氢键供体的组分应为小分子多元醇，如乙二醇、丙二醇、丙三醇，或尿素等，其中小分子氢键供体根据分子中可以成氢键的羟基数不同，与胆碱类氢键受体摩尔比通常为1:2/1:3/2:3等不同配比，溶剂吸收温度最低为-15℃，最高温度为75℃，溶剂可再生利用，所使用热能品位低，再生温度低于120℃，溶剂利用水的低粘性、高分子极性结合低共熔溶剂中的氢键受体位点，可采用吸收添加少量调节吸收后弱溶液粘度，摩尔浓度一般低于5%。溶剂适合应用于单效吸收式制冷循环吸收器中制冷剂的吸收，制冷机组中制冷剂的回收。
实施例二：
在实施例一的基础上，涉及一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂的制备方法，，包括以下步骤，以氢键受体与氢键供体按照一定比例形成的低共熔溶剂为吸收剂，在一定温度和压力条件下，吸收制冷剂蒸汽，得到具有一定浓度的吸收工质对溶液，然后向富含制冷剂的的吸收剂中混合少量H2O，在一定温度下进行搅拌得到粘度经过调节的溶液工质，进行输送，在进入下次吸收操作前，除了采用热量进行制冷剂的分离发生过程和水分的分离，即可得到再生的吸收剂。
上述方法中，低共熔溶剂中的氢键受体选自胆碱类季铵盐，来源可包括氢氧化胆碱、氯化胆碱、硫酸胆碱等。
上述方法中，低共熔溶剂中的氢键供体选自乙二醇、丙三醇、1,3-丙二醇、二甲基甲酰胺、尿素、苯酚等。
上述方法中，形成低共熔溶剂的氢键供体与氢键受体质量比为1:1～1:3之间。
上述方法中，制冷剂蒸汽吸收温度为-15℃～95℃，制冷和第一类热泵吸收温度区间为-15℃～45℃，其中高效吸收区间为20℃～35℃；第二类吸收热泵吸收区间为45℃～95℃，其中高效吸收区间为75℃～80℃。
上述方法中，低共熔溶剂的粘度调节方法为加入质量分数约为5%～9%的去离子水，根据吸收器形式不同，采用不同时间和空间段进行添加。即可达到与65%质量分数在相同温度条件下，粘度相近的低共熔溶剂作为吸收剂使用。
上述方法中，低共熔溶剂吸收制冷剂后的再生温度为45℃～75℃。
上述方法中，低共熔溶剂中残留的H2O去除和再生温度为85℃～95℃。
实施例三：
在实施例二的基础上，称取氯化胆碱13.96g置于50mL锥形瓶中，加入尿素12.01g。将此锥形瓶放入80℃恒温水浴磁力搅拌，直到锥形瓶中形成均匀透明的液体形式，连接0.5L/s小型真空泵，抽气24以上，关闭真空泵后锥形瓶中压力可维持在低于10.0Pa；然后冷却到室温，可得到25.97g低共熔溶剂，其中氢键受体与氢键供体质量比为1.162:1。该低共熔溶剂熔点为12℃，吸收温度设定为40℃。取所合成的低共熔溶剂在常压、40℃、干燥空气中测量其动力粘度为401.5Pa·s,取所合成的低共熔溶剂5.00g，加入自制的透明玻璃制成的鼓泡式吸收瓶中，将制冷剂混合物（R134a体积含量50％，空气体积含量50％）以75mL/min的速率通入鼓泡式吸收瓶中，鼓泡式吸收瓶所在环境温度为40℃，30分钟后测量吸收量为饱和溶解度。
实施例四：
在实施例二的基础上，称取氯化胆碱13.96g置于50mL锥形瓶中，加入尿素12.01g。将此锥形瓶放入80℃恒温水浴磁力搅拌，直到锥形瓶中形成均匀透明的液体形式，连接0.5L/s小型真空泵，抽气24小时以上，关闭真空泵后锥形瓶中压力可维持在低于10.0Pa；然后冷却到室温，加入去离子水2.43g。可得到28.40g低共熔溶剂，其中氢键受体、氢键供体和水的质量比为1.162:1:0.2023。吸收温度设定为40℃。取所合成的低共熔溶剂在常压、40℃、干燥空气中测量其动力粘度为6.62Pa·s, 此时粘度与质量分数为63.13%的常规溴化锂水溶液粘度相同，可采用相似结构的吸收式制冷用吸收器。取所合成的低共熔溶剂5.00g，加入自制的透明玻璃制成的鼓泡式吸收瓶中，将制冷剂混合物（R134a体积含量50％，空气体积含量50％）以75mL/min的速率通入鼓泡式吸收瓶中，鼓泡式吸收瓶所在环境温度为40℃，30分钟后测量吸收量为饱和溶解度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，其特征在于：所述溶剂是由胆碱类季铵盐为氢键受体，多元醇、羧酸和酰胺类氢键供体组成低共熔溶剂，其中胆碱类季铵盐通式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
其中阳离子为胆碱类有机分子阳离子，所述胆碱类氢键受体阴离子X-为卤素、硝酸根、硝酸根、硫酸氢根、磷酸氢根等强酸根或强酸氢根阴离子，其中组成低共熔溶剂中氢键供体的组分应为小分子多元醇，如乙二醇、丙二醇、丙三醇，或尿素等，其中小分子氢键供体根据分子中可以成氢键的羟基数不同，与胆碱类氢键受体摩尔比通常为1:2/1:3/2:3等不同配比。
2.根据权利要求1所述的一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，其特征在于：所述溶剂吸收温度最低为-15℃，最高温度为75℃。
3.根据权利要求1所述的一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，其特征在于：所述溶剂可再生利用，所使用热能品位低，再生温度低于120℃。
4.根据权利要求1所述的一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，其特征在于：所述溶剂利用水的低粘性、高分子极性结合低共熔溶剂中的氢键受体位点，可采用吸收添加少量调节吸收后弱溶液粘度，摩尔浓度一般低于5%。
5.根据权利要求1所述的一种新型粘度可调节可逆吸收的胆碱类低共熔溶剂，其特征在于：所述溶剂适合应用于单效吸收式制冷循环吸收器中制冷剂的吸收，制冷机组中制冷剂的回收。
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