CN116392928A - 一种适用于多场景co2捕集的多孔氨基功能负载型离子液体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用多场景CO2捕集的多孔氨基功能负载型离子液体，属于气体分离与环境保护领域。所述的负载型离子液体是采用氨基功能离子液体修饰多孔载体表面和孔结构，所形成的具有选择性吸附CO2位点、窄孔径分布、微孔‑超微孔结构的离子型杂化吸附材料，其中功能离子液体中氨基基团与CO2分子间的强化学作用及其构建的微孔‑超微孔效应耦合协同可实现CO2高效捕集或深度脱除，且负载型离子液体易于再生，可循环使用且性能稳定。总之，所述的负载型离子液体合成简单、稳定性好、CO2选择性分离性能高、且功能离子液体与多孔载体组成含量可调，可适用于多种含CO2气源的场景。
Description
技术领域
本发明是关于CO2捕集分离技术领域，尤其涉及一种多孔材料制备的负载型离子液体捕集多种场景下CO2的方法。所述的负载型离子液体是以多孔固体材料为载体，负载氨基功能化离子液体形成的固体吸附材料。不同多孔载体负载离子液体后形成的杂化材料具有不同的吸附能力，通过调控载体和离子液体之间的协同作用实现低浓度和较高浓度的CO2捕集。
背景技术
近年来，伴随着全球经济的快速发展与工业化进程的加速，大气中的CO2含量逐年上升，由此引发的温室效应已经严重威胁到了地球生态系统的稳定。控制碳排放是应对气候变化、促进社会绿色发展的重要途径之一。CO2捕集方法众多，包括溶剂吸收法、膜分离法和低温液化分离法等，其中溶剂吸收法是应用较为成熟的CO2捕集分离方法，目前工业上应用最广泛的是醇胺溶剂吸收法，主要是以乙醇胺(MEA)等醇胺水溶液为吸收剂捕集分离CO2，但存在溶剂挥发损耗大、再生能耗高等问题。与之相比，离子液体具有稳定性高，蒸气压低，结构可调的优点。Huang等(Angewandte Chemie International Edition,2017,56,43)报道的酰亚胺基功能离子液体三丁基乙基季膦酰亚胺盐([P4442][Suc])展现出高的吸收量，在20℃和0.1MPa下，其对纯CO2吸收量为1.87mol CO2/mol IL，在10％CO2浓度下吸收量也达1.65mol CO2/mol IL，这充分显示了功能离子液体优异的CO2捕集能力。然而离子液体的功能化也衍生出新的问题，即离子液体自身粘度较高或吸收过程中离子液体-CO2体系形成复杂的氢键网络结构导致粘度剧增，严重影响了其传质效果，限制了其在吸收分离CO2中的应用。
将离子液体与有机或无机多孔材料通过物理或化学方法结合，形成负载型离子液体材料作为CO2吸附材料，其兼具离子液体和多孔材料的优势，不仅能提升分离效果，还可有效避免离子液体直接吸收造成的高粘度问题，提高CO2吸附效率，逐渐成为近些年研究热点和趋势。例如，董晓晨等(Materials Review,2015,29,14)将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸([Bmim][BF4])和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Bmim][PF6])负载在硅胶(孔径2.0-3.0nm)上，结果表明硅胶的多孔结构对离子液体有较好的分散作用，扩大了其与CO2的接触面积，提高了其CO2吸附能力。负载20wt％[Bmim][PF6]的硅胶在0℃和0.1MPa下，CO2吸附量最高为0.84mmol CO2/g adsorbent，CO2/N2选择性为1.5。Daniel等(Frontiers in EnergyResearch,2017,5,13-24)将四丁基氢氧化铵乙酸([N4444][Ac])负载于纤维素为载体上，得到复合材料[N4444][Ac]@纤维素。在室温和3MPa下，其吸附量最高为0.72mmol CO2/gadsorbent，较纯离子液体提高约1.5倍。Zhou等(Polymer Testing,2020,81,106109)合成了聚离子液体聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑-2-甲氧基乙烷-1-磺酸氯化物)(P[VCIm]Cl)，并将其固定在介孔氧化铝(MA)上，在40℃和0.1MPa下，50wt％P[VCIm]Cl@MA对CO2最大吸附量为0.56mmol CO2/g adsorbent，经过5次连续吸附-脱附循环后仍保持95％的再生效率，具有较好的再生循环性。
总体来说，由于多孔载体的孔效应与离子液体的活性位点能协同强化CO2吸收过程，因此负载型离子液体作为一种新型CO2吸附材料具有较好的应用前景。遗憾的是，目前对于负载型离子液体的研究主要集中在常温常压和高CO2浓度(15％以上)的使用环境，针对负载型离子液体对多种含CO2气源的场景(低浓度和较高浓度)下的CO2捕集的研究较少。针对于以上负载型离子液体使用环境的局限性，本发明以不同种类的多孔材料为载体负载氨基功能离子液体，制备了一种多孔氨基功能负载型离子液体以满足多场景的CO2捕集需求。
发明内容
本发明涉及一种适用于多场景CO2捕集的多孔氨基功能负载型离子液体，其特征在于所涉及的负载型离子液体是将氨基功能离子液体负载于多孔载体所形成的具有选择性吸附CO2位点、窄孔径分布、微孔-超微孔结构的离子型杂化吸附材料，功能离子液体中氨基基团与CO2分子间的强化学作用及其构建的微孔-超微孔效应耦合协同可实现CO2高效捕集或深度脱除，其中所涉及的功能离子液体中阴阳离子结构通式如下：
其中阳离子为季铵类阳离子：R1、R2、R3、R4为CnH2n+1，0≤n≤6；阴离子为具有氨基和羧基的氨基酸类阴离子：K1、K2、K3为CmH2m+1，0≤m≤6。所述的负载型离子液体中离子液体质量分数为20～70wt％，多孔载体为具有窄孔径分布的微孔、微介孔、介孔或大孔结构的固体材料，包括丝光沸石分子筛、介孔碳和非离子型多孔树脂。
本发明所涉及的多孔氨基功能负载型离子液体，吸附温度：5～100℃，吸附压力：0.04kPa～1MPa。
本发明所涉及的多孔氨基功能负载型离子液体可再生循环利用，再生条件：50～150℃，0.01kPa～0.1MPa。
本发明所涉及的多孔氨基功能负载型离子液体适用于大气环境、空间站、潜艇密闭空间中极低浓度CO2捕集，工业烟气、化工尾气、油田伴生气、天然气中不同浓度CO2捕集分离。
与现有技术相比，本发明所述的多孔氨基功能负载型离子液体合成简单、稳定性好、CO2选择性分离性能高、且功能离子液体与多孔载体组成含量可调，可适用于多种含CO2气源的场景。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作更为详细的描述，但本发明并不限于以下实施例，在不脱离前后所述的范围内，变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
1)将0.1mol的DL-脯氨酸加入到500ml的圆底烧瓶中，然后加入150ml的去离子水溶解，然后在搅拌下通过恒压滴液漏斗缓慢滴加含有0.1mol的四乙基氢氧化胺水溶液，反应温度通过水浴控制为25℃，反应24h。反应结束后，将混合物在60℃下通过旋转蒸发仪除去残余的去离子水，再经60℃真空干燥12h得到离子液体[N2222][Pro]。
2)将2g的[N2222][Pro]溶于30ml无水乙醇中，然后将8g的氢型丝光沸石(HMOR)缓慢加入溶液中，超声1h后置于室温下搅拌24h。之后将混合溶液加入蒸发皿中，在70℃下除去大量的乙醇溶剂，最后在60℃真空干燥24h，即可得到氢型丝光沸石负载型离子液体，记为20wt％[N2222][Pro]@HMOR；其他条件不变，调整[N2222][Pro]和HMOR的加入质量分别为3g:7g，即可得到离子液体含量为30wt％的氢型丝光沸石负载型离子液体。此负载型离子在低浓度CO2捕集中有较好的表现。
3)采用物理吸附仪测定沸石负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g实施例1中2)氢型丝光沸石负载型离子液体[N2222][Pro]@HMOR(离子液体含量为20wt％)进行测试，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝0.06时，20wt％[N2222][Pro]@HMOR的CO2吸附容量为0.34mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
4)采用物理吸附仪测定沸石负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g实施例1中2)氢型丝光沸石负载型离子液体[N2222][Pro]@HMOR(离子液体含量为30wt％)进行测试，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝0.06时，30wt％[N2222][Pro]@HMOR的CO2吸附容量为0.26mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
实施例2
1)将3g的[N2222][Pro]溶于30ml无水乙醇中，然后将7g的非离子型多孔树脂(XAD-1180N)缓慢加入溶液中，超声1h后置于室温下搅拌24h。之后将混合溶液加入蒸发皿中，在70℃下除去大量的乙醇溶剂，最后在60℃真空干燥24h，即可得到树脂负载型离子液体，记为30wt％[N2222][Pro]@XAD-1180N；其他条件不变，调整[[N2222][Pro]和XAD-1180N的加入质量分别为4.5g:5.5g和6.5g:3.5g，即可得到系列不同离子液体含量的树脂负载型离子液体，复合材料中离子液体含量分别为45wt％和65wt％。此负载型离子液体在常压和较高浓度下的CO2捕集中有较好的表现。
2)采用物理吸附仪测定树脂负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g的实施例2中1)中的树脂负载型离子液体[N2222][Pro]@XAD-1180N(离子液体含量为30wt％)，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝1时，30wt％[N2222][Pro]@XAD-1180N的CO2吸附容量为0.35mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
3)采用物理吸附仪测定树脂负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g的实施例2中1)中的树脂负载型离子液体[N2222][Pro]@XAD-1180N(离子液体含量为45wt％)，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝1时，45wt％[N2222][Pro]@XAD-1180N的CO2吸附容量为0.54mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
4)采用物理吸附仪测定树脂负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g的实施例2中1)中的树脂负载型离子液体[N2222][Pro]@XAD-1180N(离子液体含量为65wt％)，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝1时，65wt％[N2222][Pro]@XAD-1180N的CO2吸附容量为1.11mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
实施例3
1)将3g的[N2222][Pro]溶于30ml无水乙醇中，然后将7g的介孔碳(MC)缓慢加入溶液中，超声1h后置于室温下搅拌24h。之后将混合溶液加入蒸发皿中，在70℃下除去大量的乙醇溶剂，最后在60℃真空干燥24h，即可得到分子筛负载型离子液体，记为30wt％[N2222][Pro]@MC；其他条件不变，调整[N2222][Pro]和MC的加入质量分别为6g:4g和7g:3g，即可得到系列不同离子液体含量的介孔碳负载型离子液体。复合材料中离子液体含量分别为60wt％和70wt％。此负载型离子液体在常压和较高浓度下的CO2捕集中有较好的表现。
2)采用物理吸附仪测定分子筛负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g实施例3中1)中介孔碳负载型离子液体[N2222][Pro]@MC(离子液体含量为30wt％)，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝1时，30wt％[N2222][Pro]@MC的CO2吸附容量为0.64mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
3)采用物理吸附仪测定分子筛负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g实施例3中1)中介孔碳负载型离子液体[N2222][Pro]@MC(离子液体含量为60wt％)，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝1时，60wt％[N2222][Pro]@MC的CO2吸附容量为1.30mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
4)采用物理吸附仪测定分子筛负载型离子液体的CO2吸附等温线。取0.15g实施例3中1)中介孔碳负载型离子液体[N2222][Pro]@MC(离子液体含量为70wt％)，测试温度为40℃，测试压力为0.00005～0.1MPa，在相对压力P/P0＝1时，70wt％[N2222][Pro]@MC的CO2吸附容量为1.46mmol CO2/g adsorbent，结果见表1。
表1实施例1-3不同氨基功能负载型离子液体对不同气源CO2吸附量
Claims (4)
1.一种适用多场景CO2捕集的多孔氨基功能负载型离子液体，其特征在于所涉及的负载型离子液体是将氨基功能离子液体负载于多孔载体所形成的具有选择性吸附CO2位点、窄孔径分布、微孔-超微孔结构的离子型杂化吸附材料，功能离子液体中氨基基团与CO2分子间的强化学作用及其构建的微孔-超微孔效应耦合协同可实现CO2高效捕集或深度脱除，其中所涉及的功能离子液体中阴阳离子结构通式如下：
其中阳离子为季铵类阳离子：R1、R2、R3、R4为CnH2n+1，0≤n≤6。阴离子为具有氨基和羧基的氨基酸类阴离子：K1、K2、K3为CmH2m+1，0≤m≤6。所述的负载型离子液体中离子液体质量分数为20～70wt％，多孔载体为具有窄孔径分布的微孔、微介孔、介孔或大孔结构的固体材料，包括丝光沸石分子筛、介孔碳和非离子型多孔树脂。
2.根据权利要求1所述的方法，所涉及的多孔氨基功能负载型离子液体吸附温度：5～100℃，吸附压力：0.04kPa～1MPa。
3.根据权利要求1所述的方法，所涉及的多孔氨基功能负载型离子液体可再生循环利用，再生条件：50～150℃，0.01kPa～0.1MPa。
4.根据权利要求1所述的方法，本发明适用于大气环境、空间站、潜艇密闭空间中极低浓度CO2捕集，工业烟气、化工尾气、油田伴生气、天然气中不同浓度CO2捕集分离。
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