论文总字数：20530字

摘 要

目前，发展高效低成本的碳分离储存技术对于减轻全球变暖这一趋势十分重要，离子液体（Ils）因其独特可调的性质（低蒸汽压、高压下较高的溶解性能等）备受关注，被认为有望代替目前广泛采用的乙醇胺水溶液用于二氧化碳（CO₂）捕集分离。膜分离是一种高效节能，低成本以及易工业化的CO₂减排方式。离子液体支撑液膜(SILM)是结合膜技术与离子液体双重优点的新型绿色分离技术。

本课题的研究手段是制备功能型离子液体胆碱脯氨酸（阴阳离子均来自于无毒绿色原料），通过红外、核磁等技术手段考察离子液体的制备状况；并通过热重分析方法，考察离子液体的热稳定性；并将胆碱脯氨酸负载在聚醚砜膜中，通过SEM表征手段，考察这离子液体支撑液膜的制备情况；主要研究吸收温度的不同对CO₂分离性能的影响，探索影响其分离性能的主要因素。为之后离子液体支撑膜的研究提供系统的数据积累和研究探索。

关键词：支撑膜 离子液体 温度 二氧化碳 分离性能

Study on the preparation of the supported ionic liquid membrane and its CO₂ separation properties

Abstract

Development of highly efficient and cost-effective carbon capture and storage technology is vitally important to the reduction of carbon emissions and mitigation of global climate change. Ionic liquids (ILs) are expected to replace the amine solution which is current widely used for carbon dioxide (CO₂) capture and separation，because of their unique properties (low vapor pressure, high solubility et.). Membrane separation is an energy saving, low cost and easy industrialization CO₂ emission reduction way. Ionic liquid supported liquid membrane (SILM) is a new type of green separation technology which is a new technology of combining membrane technology and ionic liquid.

Our research mainly includes preparation of functional ionic liquid choline proline (anion and cation were derived from green non-toxic raw materials). The structure can be determined by IR, NMR and other technology. And we use the thermal gravimetric analysis to explore the thermal stability of ionic liquids. Then [choline] [proline] is loaded on the surface of the polyethersulfone membrane. The preparation conditions of the supported ionic liquid membrane is investigated by SEM characterization. Our research is mainly focus on the influence of temperature, exploring the main factors that influence the absorption properties. Our work provides systemic data accumulation and exploration for the research of the supported ionic liquid membrane.

Key words: Supported membrane, Ionic liquid, Temperature, Carbon dioxide separation

目录

摘要 II

Abstract III

第一章 综述 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 CO₂引起的环境问题 1

1.1.2二氧化碳捕集与封存 1

1.1.3 乙醇胺（MEA）水溶液吸收二氧化碳 3

1.2 离子液体吸收二氧化碳 4

1.2.1 常规离子液体吸收二氧化碳 4

1.2.2 功能离子液体吸收二氧化碳 5

1.2.3 负载离子液体吸收二氧化碳 6

1.3 离子液体支撑液膜分离CO₂的研究进展 7

1.4本文的研究思路及工作 8

第二章 实验部分 9

2.1 离子液体的制备 9

2.1.1 实验试剂 9

2.1.2离子液体制备实验流程 9

2.1.3 反应式 10

2.2支撑膜的制备 10

2.2.1支撑膜 10

2.2.2 支撑膜制备实验流程 10

2.3离子液体及离子液体支撑膜的表征 11

2.3.1傅里叶变换红外表征 11

2.3.2核磁共振（NMR） 12

2.3.3热分析方法（TGA） 14

2.3.4场发射扫描电子显微镜（SEM）分析 15

2.3.5气体渗透实验 16

第三章 结果与讨论 17

3.1 离子液体热稳定性能测试 17

3.2 温度CO₂吸收性能影响 18

3.2.1 温度对支撑液膜通量的影响 18

3.2.2 温度对支撑液膜选择性的影响 19

3.2.3离子液体支撑膜的稳定性能考察 20

3.2.4罗伯逊上限 22

第四章 结论与展望 23

4.1结论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 综述

1.1 课题背景

1.1.1 CO₂引起的环境问题

诺贝尔化学奖得主Svante August Arrhenius在1896年首次提出“人为温室效应的可能性”，他预测化石燃料燃烧过程排放的CO₂会增加大气中CO₂浓度，从而导致全球气候变暖[1]。现在这一预测已被确认为不争的事实，工业革命前大气中CO₂含量是280ppm，从1958年开始，伴随着大量化石燃料的燃烧以及相关行为的人类活动，每年大气中CO₂含量都在增加，目前大气中CO₂的浓度约为400ppm。根据仪器记录，过去100年中的地表温度平均升高了(0.74士0.18)^oC。但是，以目前的技术水平而言，短期内仍将严重依赖化石燃料，世界仍然需要煤。如按目前速度继续增长，到2100年CO₂含量将增至约550ppm，比工业革命前增加近1倍。有专家认为，为了避免发生人类难以承受的气候变化，我们应该把大气CO₂体积浓度稳定在500±50ppm以下[4]

目前，CO₂引起的气候问题日益引起全世界科学家的高度关注，稳定大气CO₂水平可通过采用清洁能源从根本上减少CO₂的排放实现，也可通过捕集CO₂实现。清洁能源包括核能、可再生能源(如生物质能、水能、风能等)以及新能源(如氢燃料等)，是当前大多数研究和努力的重点。在捕集CO₂方面，目前研究的主要方向是针对大型固定集中CO₂排放源的CO₂捕集与封存技术(Carbon Capture and Storage, CCS)。但与此同时，还存在如飞机尾气的小型分散移动CO₂排放源，或已经排放到空气中的CO₂，针对此种情况，采用大气CO₂捕集技术，对大气中已存在的CO₂进行捕集、利用，最大限度地缓解温室效应带来的影响，是非常必要的，也是当前不容忽视的研究课题。

1.1.2二氧化碳捕集与封存

经济的可持续发展，保证人类正常生活环境都迫切地需要有效的CO₂捕集与分离技术。目前，从混合气体中分离捕集CO₂的技术主要包括：吸附、吸收、低温冷凝及膜分离[1]。

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