担载离子液体制备及对CO2吸收性能的研究文献综述
2020-04-13 13:25:47
近年来,”温室效应”和”全球变暖”已成为全球关注的环境问题,作为温室效应的主要贡献者之一的二氧化碳,随着全球能源消费量的增加其排放量也在逐年增加,人类的生存环境和生态平衡受到了严重威胁。如何有效控制二氧化碳的排放,将其固定或转化利用已成为世界范围内可持续发展的一个研究热点[1]。碳捕集和封存(Carbon Capture and Storage , 以下简称CCS) 就是基于目前的时代背景产生的, 用来解决碳排放量问题的一项技术。尽管CCS 技术能有效地封存过多的二氧化碳,对于缓解温室效应具有很好的前景,但是由于各种经济、政策以及其他的一些原因, CCS 技术目前乃至将来几十年都面临着巨大的挑战[2]。
MEA吸收剂与其他工业用醇胺吸收剂相比,有其自身的优势,比如它的反应活性高,溶剂成本低,分子质量小(相同质量的吸收容量高),热稳定性和热降解速率都较适中。而MEA的缺点则包括它与CO2反应的反应焓高,因此解吸再生所需的能耗也高;生成稳定的胺基碳酸盐,与COS或含氧气体反应发生降解;在高压下汽化损失大,腐蚀作用也比其他醇胺类溶剂高,因此在高浓度下需要添加缓蚀剂.因此,开发新型吸收剂应注意在增大吸收容量的同时避免其缺点[3]。
单乙醇胺(MEA)溶液吸收CO2具有吸收速度快、负载大等优点,MEA 溶液吸收CO2是未来我国排放源中捕集CO2最具有可行性的技术之一。MEA 吸收液温度对CO2的吸收和解吸能耗的影响并不敏感,温度升高,CO2吸收率缓慢增加。但是,以MEA溶液吸收CO2技术的最大问题在于富液解吸能耗高[4-6]。
离子液体(ionic liquid,简称IL)也称低温熔融盐,是指在室温或室温附近温度下呈液态的、完全由阴阳离子所组成的盐[7]。按照常见阳离子可分为咪唑盐、吡啶盐、季铵盐和季膦盐四类。离子液体具有蒸气压极低、不易挥发、熔点低、热稳定性高、结构可调等优点,是一种新型的绿色溶剂。结构可调的特点使离子液体具有可设计性,可引入具有独特性能的官能团设计合成一定特殊功能的离子液体即功能化离子液体。
孔庆华等[8]研究了在常压、293~333K 条件下[C6mim][PF6]静态吸收 CO2的动力学特性,发现温度升高时,CO2在该离子液体中的溶解平衡时间减小,吸收容量也随之减小;并研究了真空度对解吸效率的影响,发现 363K 时常温升压解吸率达66.67%,在真空条件下的室温解吸率达 95%。Almantariotis 等[9]采用分子模拟方法 揭 示 了 在 常 压 、 303~343K 条 件 下 , CO2在 阳 离 子 侧 链 多 氟 取 代 后 的[C8H4F13mim][Tf2N]中的溶解度比在[C8H17mim][Tf2N]中的高约 20%的原因,他们认为,由于氟取代后离子液体的静电作用力和色散作用力更强,两者的协同效果更有利于 CO2的溶剂化。氟功能化离子液体内部的氢键网络结构更复杂,且氟取代基的强离域作用减弱了阴阳离子间的氢键作用,CO2极易进入网状结构空隙中,使含氟离子液体对 CO2的溶解能力增强,且随着氟烷基数量的增多溶解能力增强。
常规离子液体仅依靠离子液体本身的结构特性对进行物理吸收,吸收量比较小
而且速度较慢,即使是氟化离子液体也无法与有机胺溶液的吸收性能相抗衡,因此需要设计功能化离子液体对 CO2进行高效固定[9,10]。
与常规有机分子溶剂相比[11], ILs 中的阴阳离子可以形成特殊的溶液结构或增加与CO2分子之间的作用力,从而有利于提高CO2的溶解度,因此, ILs 被认为是新一代CO2吸收溶剂[12,13]。
常规离子液体捕集CO2具有许多优点,但捕集过程的实质是CO2的简单物理溶解过程,捕集速率和容量较低。特别当CO2分压接近常压时,离子液体对CO2的捕集速率和容量就更低,离实际应用还有较大的距离。因此,引入特定的基团对离子液体的阴阳离子进行结构修饰,或者与活性组分复配,从而提高CO2的捕集速率和容量,将是以后的研究方向。常规离子液体可以有效溶解CO2,并对CO2具有较好的选择性分离效果。但是,由于这些离子液体与CO2之间只是一般的物理作用,吸收量有限,即便是氟化离子液体也无法与有机胺溶液对CO2的吸收性能相抗衡,这是常规离子液体在捕集CO2方面所存在的主要问题。
2002年,Davis课题组[14]最早利用咪和溴丙胺在乙醇溶剂中令成含有胺基的功能化离子液体1- (1-氨基丙基)-3-丁基咪唑四滅硼酸盐([NHrp-bini]BF4),引入了胺基的离子液体常温常乐下溶解C02的摩尔分率接近0.5mol/mol IL(C02的质量分数为7.4%。该离子液体其循环使州性能佳.,吸收饱和的离子液体经8(rC下真空干燥数小时后即可将C02全部释放,而其本身并无质量损失。随后,具有碳酸基、醋酸基和氨基酸的功能化离子液体也被报道具有良好的C02捕集能力。