CN116651148A - 一种低温自萃取再生的功能化离子液体co2吸收剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂及其应用，该吸收剂包括作为主吸收剂的功能化离子液体入二正丁胺咪唑([DBAH][Im])以及溶剂。由于主吸收剂是功能化离子液体，吸收剂阴阳离子间具有基团交互作用，使吸收产物具有较低的解吸自由能，实现低温再生降低能耗。同时本实施例还具有“自萃取”特性，即再生过程中，解吸出的离子液体汇集在溶液顶部形成一层有机相，该有机相作为自萃取剂萃取水相中后续再生出的离子液体。由于功能化离子液体在解吸过程的“自萃取”作用，可使吸收剂从产物中快速分离，从而促进解吸的进行，提高解吸速率。本实施例兼具功能化离子液体及相变吸收剂的优点，具有低成本、高再生效率和低再生能耗的优势。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳捕集技术领域，具体涉及一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂。
背景技术
全球气候变暖已经成为国际社会最为关注的环境问题之一，而二氧化碳(CO2)作为主要的温室气体，其控制和减排是积极应对全球气候变化的关键环节。碳捕获、利用与封存(CCUS)技术被认为是目前最直接、最有效的碳减排技术。碳捕集环节中，以有机胺为吸收剂的化学吸收法因具有吸收速率快、选择性好的优势，在工业上有一定的应用，占据目前碳捕集市场的60％以上，但是目前的化学吸收剂吸收负荷低，易氧化分解，再生能耗高等缺陷，成为其广泛推广应用的技术瓶颈。因此，基于传统有机胺溶剂开发出新型能低温再生的吸收剂成为近年来的一个研究热点。
相变吸收剂是一类极具节能潜力的新型吸收剂，具有广泛节能潜力的同时保留了化学吸收法的高反应速率。相变吸收剂分为两类，目前研究的大部分相变吸收剂是第一类相变吸收剂，其在吸收前为均相，吸收CO2饱和后发生相变，通过减少再生液的体积和质量可有效降低再生能耗，但富相部分往往具有较大的粘度，容易发生设备堵塞、腐蚀管道等现象。第二类相变吸收剂，其吸收前在室温下为两相，吸收CO2饱和后均相体系，在热再生过程中重新发生相变，由于自萃取作用可打破化学反应瓶和，促进再生的进行，从而降低再生温度节约能耗。第二类相变吸收剂可以有效降低再生能耗，但是目前关于第二类相变吸收剂的报道较少，其已开发的第二类相变吸收剂的吸收性能还无法达到基准MEA的水平，大多需多元组分来调控形成萃取相，自萃取的速度很慢且自萃取效果不明显，同时需添加大量萃取剂及采用多级萃取来实现“萃取”，从而增加了成本和操作难度，且再生过程中也需使用N2吹脱。
发明内容
本发明的目的在于突破现在技术的瓶颈，提出了一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂及其应用，解决了上述背景技术中CO2解吸温度高、再生能耗高等问题。
本发明实施例提供了一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其包括功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]；所述功能化离子液体[DBAH][Im]的化学式为：
优选地，还包括溶剂，所述功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]的浓度为0.5～1mol/L。
优选地，所述溶剂为水，所述功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]与水组成二元体系。
优选地，所述二元体系在吸收CO2前为液液两相溶液，在吸收CO2饱和后呈均相体系，在热解吸后恢复为液液两相溶液。
优选地，所述均相体系的饱和溶液通过热解吸方式再生，再生温度为70～90℃，再生时间为90～120min，再生效率为75～95％。
优选地，在再生过程中，再生出来的离子液体在溶液上方形成有机相，并自发的将再生的胺萃取到上相中。
本发明实施例还公开了一种如上述的低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂在CO2吸收中的应用；其用于吸收纯CO2或混合气体中体积比为5～20％的CO2，吸收温度为30～60℃，吸收负荷为0.65～0.82mol CO2/mol ILs。
本发明实施例至少具有如下优点：
1.本发明实施例采用了功能化离子液体相变吸收剂，通过调节阴阳离子组合，实现在低温下高效自萃取再生，其具有良好的CO2捕集性能(吸收负荷为0.65～0.82mol CO2/mol ILs)及再生性能(再生效率为75～95％)；
2.因功能化离子液体的可设计性，通过调节阴阳离子组合，降低了产物氨基甲酸酯的稳定性，实现低温再生；通过热解吸的方式自萃取再生，有效避免了使用N2吹扫加热再生，有效保证最终收集CO2气体纯度，利于CCUS后期的封存处理；
3、再生过程中，再生出来的离子液体在溶液上方形成一层有机相，自发的将再生的离子液体萃取到有机相中(自萃取作用)，从而促进再生反应正向进行，实现低温高效再生，可极大降低再生能耗，克服传统有机胺低温再生难的缺陷，更有利于工业化推广。
附图说明
图1为本发明实施例提供的不同浓度离子液体水溶液的CO2吸收性能示意图；
图2为0.5mol/L离子液体水溶液的样品实物照片，其中a-吸收前，b-吸收饱和，c-自萃取再生；
图3为本发明不同再生温度下采用热解吸方式的再生效率示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其包括功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]；所述功能化离子液体[DBAH][Im]的化学式为：
其中，在应用时，以功能化离子液体二正丁胺咪唑作为主吸收剂，以水作为溶剂，由于主吸收剂是功能化离子液体，其阴阳离子间具有基团交互作用，使吸收产物具有较低的解吸自由能，实现低温再生降低能耗。同时功能化离子液体CO2吸收剂具有“自萃取”特性，即再生过程中，解吸出的离子液体汇集在溶液顶部形成一层有机相，该有机相作为自萃取剂萃取水相中后续再生出的离子液体。由于功能化离子液体在解吸过程的“自萃取”作用，可使吸收剂从产物中快速分离，从而促进解吸的进行，提高解吸速率。
具体地，在本实施例中，所述功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]的浓度为0.5～1mol/L，其可以用于吸收纯CO2或混合气体中体积比为5～20％的CO2，吸收温度为30～60℃。在吸收CO2前，吸收剂为液液两相溶液，在吸收CO2饱和后呈均相体系(吸收负荷为0.65～0.82mol CO2/mol ILs)，所述均相体系的饱和溶液通过热解吸方式再生，再生温度为70～90℃，再生时间为90～120min，再生效率为75～95％，在再生过程中，再生出来的离子液体在溶液上方形成有机相，并自发的将再生的胺萃取到上相中，从而实现“自萃取”。
以下以一些实际的例子来说明本发明的应用：
对比例1
本对比例采用0.5mol/L DBA水溶液和Im水溶液，DBA水溶液吸收CO2后会产生相变现象，但自萃取效果差，再生效率低；Im水溶液无分相现象且吸收负荷低。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于制备功能化离子液体的阳胺离子不同，选用[DMCAH][IM]作为对比样来吸收CO2，结果显示吸收前为液液两相，吸收饱和后为均相，但无法实现热解吸下自萃取再生，再生后不发生分相。
对比例3
本对比例为30wt％的MEA水溶液，选用MEA作为对比样，用于吸收CO2，吸收前后均为液相，吸收负荷仅为0.50mol CO2/mol ILs，再生温度为120℃，再生能耗高达3.8GJ/tCO2。
一、实施例1与对比例1、对比例2、对比例3体系吸收CO2后负荷、分相效果检测
在40℃下，检测实施例1的低温自萃取再生功能化离子液体捕集CO2体系[DBAH][Im]-水二元体系与对比例0.5mol/L DBA水溶液和Im水溶液CO2的吸收性能及分相效果、对比对比例3的吸收负荷和能耗。
方法：将实施例1与对比例1中DBAPA水溶液和Im水溶液分别取25mL，各自倒入鼓泡吸收瓶中，放置于40℃的水浴中保温至恒温后，通入CO2开始吸收测试直到吸收剂饱和。通过本实验，可获得不同吸收剂吸收CO2的速率随时间的变化情况。对吸收速率与时间关系积分，可获得不同时间吸收剂吸收CO2的负荷情况。
结果：如图1所示，不同浓度的[DBAH][Im]-水二元体系吸收CO2的能力有明显的差异。随着浓度的增加，吸收负荷逐渐降低。CO2在[DBAH][Im]-水二元体系，当浓度为0.5mol/L时，吸收负荷最高，为0.82mol CO2/mol ILs。该二元体系组成的功能化离子液体自萃取捕集CO2体系吸收CO2前为液液两相溶液，在吸收CO2饱和后变为均一透明液体溶液，再生后又变为液液两相溶液。
而对比例1的DBAPA水溶液和Im水溶液，DBA水溶液吸收CO2后会产生相变现象，但自萃取效果差，且再生效率低；Im水溶液无相变现象和自萃取现象，同时吸收负荷低。对比例2同样不具有自萃取再生的能力。对比例3MEA的吸收负荷仅为0.50mol CO2/mol ILs，再生温度为120℃，再生能耗高达3.8GJ/t CO2，本实施例具有明显的优势。
图2展示了浓度为0.5mol/L时，[DBAH][Im]-水二元体系吸收CO2前后及再生后的溶液分相情况。从图中可以看出，新鲜溶液分为液液两相，吸收CO2饱和后澄清均相，将溶液转移90℃热解自萃取再生后，溶液重新变成液液两相，说明该相变体系可低温再生。
本实施例提供的功能化离子液体吸收剂，与传统有机胺水溶液相比，在保证CO2吸收性能的同时，因自萃取再生的特性，可以在90℃以下再生，避免大量的能量消耗于溶剂水的加热和汽化过程，有效降低再生过程的能耗，具有明显的优势。
二、实施例1再生性能检测
由于工业废气量大，吸收剂的再生循环利用是至关重要的环节，影响着工艺的成本。吸收剂再生方法常见的有热解吸、膜过滤、变压法等。本实验例中采用的再生方法是热解吸，通过对比吸收剂再生前后的吸收负荷，考察吸收剂的再生能力。
方法：取实施例1的[DBAH][Im]-水二元体系(0.5M)溶液，按照实验例1中在40℃下吸收CO2至饱和。饱和后的吸收剂在不同的再生温度下(70、80、90℃)下热解吸120min，再生后的吸收剂按照实验例1中方法重复吸收实验，考察不同再生温度对吸收性能的影响。
结果：如图3所示，[DBAH][Im]-水二元体系(0.5M)溶液在70～90℃下均可实现再生，但随着温度的升高，再生效率增加，在90℃达到再生最高值，再生效率为95％。传统有机胺水溶液的再生温度一般为120℃，传统相变胺吸收剂120℃再生效率仅为70～80％，对比例3，MEA在120℃下的再生效率为92％，而100℃的再生效率仅为42％。因此本专利所述的低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，除了具有自萃取再生效率高的优势外，还有效克服已有化学吸收剂低温再生困难的缺陷。
本发明实施例还公开了一种如上述的低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂在CO2吸收中的应用；其用于吸收纯CO2或混合气体中体积比为5～20％的CO2，吸收温度为30～60℃，吸收负荷为0.65～0.82mol CO2/mol ILs。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (7)
1.一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其特征在于：包括功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]；所述功能化离子液体[DBAH][Im]的化学式为：
2.根据权利要求1所述的一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其特征在于：还包括溶剂，所述功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]的浓度为0.5～1mol/L。
3.根据权利要求2所述的一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其特征在于：所述溶剂为水，所述功能化离子液体二正丁胺咪唑[DBAH][Im]与水组成二元体系。
4.根据权利要求3所述的一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其特征在于：所述二元体系在吸收CO2前为液液两相溶液，在吸收CO2饱和后呈均相体系，在热解吸后恢复为液液两相溶液。
5.根据权利要求4所述的一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其特征在于：所述均相体系的饱和溶液通过热解吸方式再生，再生温度为70～90℃，再生时间为90～120min，再生效率为75～95％。
6.根据权利要求5所述的一种低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂，其特征在于：在再生过程中，再生出来的离子液体在溶液上方形成有机相，并自发的将再生的胺萃取到上相中。
7.一种如权利要求1至6任意一项所述的低温自萃取再生的功能化离子液体CO2吸收剂在CO2吸收中的应用；其用于吸收纯CO2或混合气体中体积比为5～20％的CO2，吸收温度为30～60℃，吸收负荷为0.65～0.82mol CO2/mol ILs。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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