研究背景及意义

随着我国经济的快速发展，CO2的排放量逐渐增加，过量的CO2带来了严重的环境问题#8212;温室效应，这对人类的生存和生态平衡造成了严重危害；其次，每年产生的低劣生物质包括城市垃圾、畜禽粪便以及农作物秸秆等，其总量近30亿吨（干重）。若将其进行厌氧发酵转化，可制得2000亿立方米生物甲烷，将极大程度缓解我国天然气短缺和环境污染问题；同时，由于废液废渣中富含氮、磷，可代替20％-40％化肥使用量，减轻水体富营养化等环境问题。因此，大力开展低劣生物质高效转化生物甲烷，是”化腐朽为神奇”，同时实现节能与减排的有效手段，符合我国国家战略重大需求。

本课题源于 973计划”生物甲烷系统中若干过程高效转化的基础研究”项目的一部分，主要目的是实现生物甲烷体系中物质高效转化和能源有效利用，最终实现节能减排。生物甲烷过程是将低劣生物质厌氧发酵产生含50%-70%的甲烷，25%-45%的CO2以及少量NH3、H2S等其他成分的混合气体，经分离提纯脱除的CO2和H2S后，使甲烷浓度达到97%以上。因此，对生物甲烷中CO2进行分离就显得十分重要。

CO2分离用的较多的方法是化学吸收法 ,其中 , 伯、仲、叔胺 , 位阻胺和混和胺是用有效的有机溶剂。位阻胺主要用于H2S和CO2混和气体中H2S 的脱除。酸性气体分离中，伯胺 ( 尤其是 MEA)是用的最广泛的溶剂 , 其吸收CO2的效率高达75%-90%。目前工业上应用最多的方法为醇胺作吸收剂来吸收CO2，该法技术成熟、吸收量大、操作成本较低，但是这些有机溶剂的高挥发性、腐蚀性强、再生能耗高的特点导致了其对环境的污染大、设备腐蚀严重以及CO2捕集成本高等问题，这就使得醇胺法越来越不能适应现代工业的需求。因此，一种难挥发、再生能耗低、腐蚀性低、设备投资成本低的吸收剂对于CO2捕集来说是相当重要的。

离子液体，又称为室温离子液体（room temperature ionic liquids），作为一种绿色溶剂，是一类在室温或接近室温（lt;100℃）呈液体状态的，通常完全由体积相对较大、不对称的有机阳离子和体积相对较小的无机阴离子组合而成，以其不挥发、低熔点（可达约-100℃）、高热稳定性，选择性好、环境友好与结构可设计等优点越来越受到人们的关注，并在绿色化学和工程化学中起到越来越重要的作用。

氨基功能离子液体是一类具有功能性基团（-NH2）的离子液体，Kenta Fukumoto等用20种天然氨基酸制备氨基类离子液体，并测定了离子液体的物性数据；Li等通过胆碱和L-脯氨酸制备了[Choline][Pro]离子液体，该类离子液体在CO2吸收速率、吸收平衡量方面相对于常规离子液体具有很大的优势，在在氮气吹扫的条件下进行解吸，通过在离子液体中加入聚乙二醇（PEG）稀释剂以减小离子液体的粘度，使得CO2的吸脱附速率有了很大的提高。Zhang等研究了负载离子液体对SO2的吸收性能，因此，氨基功能离子液体对酸性气体有很好的吸收作用

Camper等在2008年首次提出并分析了离子液体醇胺溶液复配溶液吸收CO2的可行性，他指出复配溶液的最大优势在于可以获得其成分溶质兼有的优点，其应用研究开发前景比较乐观，值得深入研究。 Zhang等在质量分数为30%~50%的MDEA溶液中加入2.5%-15%的[N1111][Gly]后进行复配，其能很好地改善MDEA吸收CO2的性能。王渊涛等为了改善MDEA 水溶液对CO2气体的吸收性能，合成4 种氨基酸功能型离子液体作为活化剂与其复配成新型的CO2吸收剂，考察了离子液体浓度、种类等因素对吸收CO2性能的影响。结果表明，离子液体能够显著提高MDEA 水溶液吸收CO2的速率，且吸收速率随着添加量的增加而提高，含[N1111] 的溶液吸收速率大于含[N2222] 的溶液。

离子液体目前存在着”两高一低”的问题，即粘度高、价格高，高粘度阻碍气体分子在吸收剂中的传递，降低吸收速率，高价格使操作成本增加。氨基酸类离子液体（AAILs）是以氨基酸为原料合成的一类功能型离子液体，具有生产成本低、可生物降解和自带功能基团氨基的特点，同时胆碱类离子液体无毒、可生物降解、价格低，因此选用胆碱氨基酸类离子液体。综上所述，离子液体复配吸收剂较好地克服了纯离子液体在捕集CO2过程中存在着一些固有缺陷，如离子液体黏度大、成本高等。但同时应该看到，由于许多离子液体复配吸收剂还处于实验研究阶段，尚有许多研究亟待展开。

参考文献

[1] 许思维，韩彩芸，张六一，张严严，杜东泉，何淑芳，罗永明, 二氧化碳捕集分离的研究进展，天然气化工，2011，36（4）：72-78

[2] Yang Tao, Bi Yin, Guo Kaihua. The CO2 absoption properties of 1- aminopropyl-3-methylimidazolium bromine, Journal of Chemical Industry and Engineering (China) , 2012, 63(10): 3152-3157

[3] 陈文谷，松向军，孙路石，宋尧，功能性离子液体吸收电厂烟气CO2的研究进展，化工时刊，2012，24（2）：52-60

[4] H.Q. Yang, Z.H.Xu, M.H.Fan, R.Gupta, R.B.Slimane, A.E.Bland, I.Wright.Progress in carbon dioxide separation and capture:A review, Journal of Environmental Sciences-China, 2008 , 20:14-27

[5] 王渊涛，张锋，吴有庭，耿皎，张志炳，氨基酸离子液体-MDEA混合水溶液的CO2 吸收性能，2009，60（11）：2781-2786

[6] Z.Z.Yang, Y.N.Zhao, L.N.He. CO2 chemistry: task-specific ionic liquids for CO2 capture/activation and subsequent conversion, Rsc Advances, 2011, 1: 545-567

[7] J.L.Anthony, E.J.Maginn, J.F.Brennecke. Solubilities and thermodynamic properties of gases in the ionic liquid 1-n-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, Journal of Physical Chemistry B, 2002, 106: 7315-7320

[8] Camper, D., et al., Room-Temperature Ionic Liquid#8722;Amine Solutions: Tunable Solvents for Efficient and Reversible Capture of CO2. Industrial amp; Engineering Chemistry Research, 2008. 47(21): p. 8496-8498

[9] X.Y.Li, M.Q.Hou, B.X.Han, X.L.Wang, L.Z.Zou. Solubility of CO2 in a choline chloride plus urea eutectic mixture,Journal of Chemical and Engineering Data, 2008, 53: 548-550

[10] Kenta Fukumoto, Masahiro Yoshizawa. Room Temperature Ionic Liquids from 20 Natural Amino Acids, J. AM. CHEM. SOC. 2005, 127: 2398-2399

[11] Xiaoyong Li, Minqiang Hou. Absorption of CO2 by ionic liquid/polyethylene glycol mixture and the thermodynamic parameters, Green Chem., 2008, 10:879#8211;884

[12] Kumelan Jacek, Kamps Alvaro Pe ′ rez - Salado, TumaDirk. , et al . Solubility of CO 2 in the ionic liquid[hmim][Tf2N].J.Chem. Thermodynamics, 2006,38(11) : 1396-1401

[13] Fang-Yuan Jou, Alan E. Mather. Solubility of Hydrogen Sul#64257;de in[bmim][PF6],InternationalJournalofThermophysics,2007,28(2):490-495

[14] Camper, D., et al., Room-Temperature Ionic Liquid#8722;Amine Solutions: Tunable Solvents for Efficient and Reversible Capture of CO2. Industrial amp; Engineering Chemistry Research, 2008. 47(21): p. 8496-8498.

[15] 桂霞，汤志刚，费维扬，高压下CO2在几种物理吸收剂中的溶解度测定， 化学工程，2011，39（6）：55-58

[16] Fukumoto, K., M. Yoshizawa, and H. Ohno, Room Temperature Ionic Liquids from 20 Natural Amino Acids. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127(8): p. 2398-2399.

[17] Liang Liang Zhang, Jie Xin Wang, Zhi Ping Liu, and Ying Lu. Ef#64257;cient Capture of Carbon Dioxide with Novel Mass-Transfe Intensi#64257;cation Device Using Ionic Liquids, AIChE Journal, 2013, 59(8), 2957-2965

[18] 吴永良，焦真，王冠楠，吴有庭 ，张志炳，用于CO2吸收的离子液体的合成、表征及吸收性能，精细化工，2007，24(4) : 324-327

研究方案内容

将胆碱氨基酸离子液体和醇胺复配，既可以获得较快的吸收速率、较高的吸收容量，同时还可降低再生能耗和醇胺在再生过程中的挥发，降低分离过程运行成本和投资成本。本课题拟通过制备胆碱氨基酸离子液体，将其与醇胺溶液复配，初步研究不同配比对胆碱氨基酸离子液体醇胺溶液对CO2的吸收量、吸收速率的影响，筛选最佳组配比，进一步考察温度、压力、阴离子种类对复配溶液吸收性能的影响。

吸收剂吸收CO2的性能是衡量吸收效果的一个重要指标，吸收剂是由三种物质混合而成，不同的混合比对吸收效果存在很大的影响。单一的离子液体蒸汽压极低，再生温度低，但粘度较大，阻碍分子的传递，吸收速率低；单一的醇胺溶液吸收速率快、吸收容量大，但再生能耗巨大，有腐蚀性，胺在再生过程中易挥发造成二次污染。选择合适的配比不仅可以有较大的吸收量，较快的吸收速率，同时降低设备投资成本和操作成本。通过研究不同配比的复配溶液的物性（密度、粘度），测定复配溶液不同压力下的CO2气液平衡关系，计算得到不同体系的CO2的吸速速率、吸收平衡量及亨利系数，比较不同体系的吸收性能，确定最佳配比。研究不同温度下的CO2气液平衡关系，计算得到不同体系的热力学性质。