摘 要

由于以CO₂为主的温室气体排放，人类赖以生存的地球环境正遭受温室效应威胁，因此，对CO₂的捕集回收具有重要的现实意义。本文介绍了一种由N-叔丁基丙烯酰胺(TBAM)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为主要骨架，以十二烷基硫酸钠(SDS)为表面活性剂，N-异丙基丙烯酰胺(BIS)为交联剂合成的温度响应微凝胶颗粒水溶液。通过动态光散射可以测定其粒径大小，并通过增加或减少聚合物中TBAM的含量配比以达到对粒径大小和LCST(最低共溶温度)大小的调谐，以适应各种不同的吸附条件和环境要求。通过循环加热和降温过程(从20℃到40℃)以促成相变，来对CO₂进行吸附和脱附。在LCST以下，溶胀的微凝胶微粒通过大量的胺基与水中的碳酸盐离子形成离子对，从而达到CO₂的吸附；而在相变温度以上，微凝胶微粒的收缩导致了暴露在溶液中的胺基数量急剧减少，从而使吸附在微凝胶上的CO₂几乎完全脱附。研究结果表明这种微凝胶材料具有周期性循环使用能力，可望成为一种低能耗且有效的CO₂吸附/脱附剂。

关键词：二氧化碳 吸附剂 微凝胶

Abstract

Due to the greenhouse gas emissions mainly caused by CO₂, the earth environment on which human beings depend is under threat of greenhouse effect. Therefore, the capture and recovery of CO₂ is of great practical significance. This paper introduces a kind of by N-tert-Butyl acrylamide (TBAM) and N-Isopropyl acrylamide (NIPAM) as the main skeleton, with Sodium dodecyl sulfate (SDS) as surfactant, N - isopropyl acrylamide (BIS) as crosslinking agent synthesis temperature response of micro gel particles in aqueous solution. By dynamic light scattering can be used to measure the particle size, and through the increase or decrease in the polymer TBAM matching to the particle size and content of LCST (minimum eutectic temperature) the size of the tuning, to adapt to a variety of different adsorption conditions and environmental requirements. Through the cyclic heating and cooling process (from 20 ℃ to 40 ℃) to facilitate the transformation, to the CO2 adsorption and take off the attached. Under the phase-change temperature (the lowest eutectic temperature), the swelling microgel particles form ion pairs through a large number of amine groups and carbonate ions in water, thus achieving the adsorption of CO2. Above the phase-change temperature, the shrinkage of microgels leads to a sharp decrease in the number of amines exposed to the solution, which results in almost complete desorption of CO2 adsorbed on the microgels. The repeated experiments show that this kind of microgel material has the ability of periodic circulation. The results show that the amine-containing microgel is a low energy consumption and effective CO2 adsorbent/desorption agent.

Key words: carbon dioxide adsorbent microgel

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 简介 4

1.1 低温蒸馏法 4

1.2 膜分离法 4

1.2.1 有机膜 5

1.2.2 无机膜 6

1.3 化学吸收法 6

1.4 吸附分离法 7

1.4.1 常温吸附法 7

1.4.2 高温吸附法 8

1.4.3电化学吸附法 8

1.5 本论文研究工作 9

第二章 微凝胶的合成及表征 10

2.1 含胺微凝胶的合成 10

2.1.1 实验试剂 10

2.1.2 实验仪器 11

2.1.3 合成方法 11

2.3 含胺微凝胶的表征 12

2.3.1 核磁氢谱(¹H NMR) 12

第三章 实验结果以及讨论 14

3.1实验仪器 14

3.2 微凝胶粒径检测：动态光散射(DLS) 14

3.3 不同pH下温度与粒径关系检测 16

3.3 不同温度下pH检测 17

3.4 CO₂吸附量检测：核磁碳谱(¹³C NMR) 19

3.5 吸附重复性检测 19

第四章 微凝胶材料研究的结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 简介

全球变暖日益成为当今社会主要关注的问题，这是由于目前主流的能源为化石燃料，大量化石燃料的燃烧导致二氧化碳的释放所致，因此研究如何有效的捕集和回收二氧化碳具有重要的现实意义。现如今捕集烟道气中二氧化碳一般采用如下方法：化学吸收法(高腐蚀、胺损耗)、低温蒸馏法(投资多、占地广、能耗高)、膜分离法(产品气浓度低)等等，这些方法或多或少存在一些缺点，而吸附法因其操作设施简单、能源使用率较高、温度压力操作范围宽而成为捕集二氧化碳最为优势的方法。由于纳米材料独特的空间结构和尺寸效应，非常适合用于吸附二氧化碳。尤其是对纳米材料孔径进行特定官能团的修饰，更加容易实现对温室气体的吸附，有望缓解二氧化碳对环境的影响。

1.1 低温蒸馏法

混合气体中各个组分具有各自不同的液化温度，低温蒸馏法的原理就是首先将温度降低到混合气体的液化温度，使其全部液化。然后通过精馏等方法将各组分气体进行分离。

在常温常压下较难将气态的二氧化碳液化，是因为其临界温度和临界压力分别为31.06 ℃和7.38 MPa。而如果在液化过程将温度降至临界温度31.06℃以下，或将压力升到临界压力7.38 MPa以上，这将会极大的简化了气体液化的步骤同时节约了资源，从而达到有效分离二氧化碳的目的。在混合气体中二氧化碳含量高的情况下，通过对混合气体的压缩、冷凝和精馏，可以得到高纯度的液体二氧化碳，这是比较经济合理的。对于二氧化碳含量低的混合气体，二氧化碳的液化也可以通过反复压缩和冷凝而得到，但成本很高。低温分离法具有二氧化碳回收率高、纯度高的优点，但也存在成本高、经济性差、能耗高的缺点。

1.2 膜分离法

由于不同气体分子的分子大小存在差异，所以存在不同的渗透率，膜分离法就是通过这种方法进行混合气体中不同气体组分的分离。通过对膜两侧施加不同的压强差，导致渗透率高的组分透过膜进入压强低的一侧，而留下渗透率低的气体组分。