CN108993098A - 一种高效捕集co2的低共熔溶剂体系及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高效捕集co2的低共熔溶剂体系及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效捕集CO2的低共熔溶剂体系及其制备方法与应用。本发明高效捕集CO2的低共熔溶剂体系由季铵盐和/或季鏻盐与乙二醇组成。所述的低共熔溶剂体系的制备方法，包括如下步骤：将所述季铵盐和/或所述季鏻盐与所述乙二醇混合，加热至体系全部变成液体，冷却至室温，即得所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系。本发明利用所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系吸收二氧化碳的方法，具体包括如下步骤：使含二氧化碳的气体缓慢通入盛有所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系的容器中，控制压力和温度，吸收过程中进行称重，直至容器的质量不再变化，即可。本发明低共熔溶剂体系对CO2具有较高的吸收容量，循环使用效果好，能实现对CO2的高效可逆吸收。

Description

一种高效捕集CO2的低共熔溶剂体系及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种高效捕集CO2的低共熔溶剂体系及其制备方法与应用，属于气体分离领域。
背景技术
目前，主要的能源动力仍旧依靠煤、石油、天然气等化石燃料，此类燃料燃烧过程中产生大量CO2排放到空气中。随着社会经济的发展，化石燃料的消耗日益加剧，每年排放到大气中的CO2高达300亿吨。超越自然自身协调能力的CO2排放量不仅引起温室效应，同时引起了显著的生态环境恶化，因此，CO2等温室气体的捕集分离及转化利用受到社会各界的重视。
改善大气环境，控制大气中CO2的含量，关键在于从源头控制排放，将CO2进行捕集分离是一种有效的手段。目前现有的CO2吸收方法主要包括溶剂吸收法、膜吸收法、化学吸收法等。工业上用于CO2捕集的传统技术是利用醇氨水溶液作为化学溶剂。然而传统的气体吸收处理方法具有类似能耗高、固体废弃物多处理困难、提高工业化应用广泛性困难等不可忽视的缺陷。
低共熔溶剂是近年来新兴的一种溶剂体系，该类体系主要有氢键供体和氢键受体组成。由于氢键受体和氢键供体之间存在氢键作用，低共熔溶剂的熔点要小于其每个组分自身的熔点。由于原料易得，合成方法简单，并且具有蒸汽压低、溶解性能好、结构和性质可调等特点，低共熔溶剂日益受到人们的广泛关注。目前，低共熔溶剂已在有机合成、材料制备、催化反应等领域得到广泛应用。其中，利用低共熔溶剂吸收CO2，也是一重要的研究领域。Ali研究了多种低共熔溶剂对CO2的吸收能力(Chem.Eng.Res.Des.,2014,92,1898)。在25℃，10bar时，CO2在氯化胆碱-尿素(1:4)的溶解量为0.0142g CO2/g吸收剂。Li等研究了氯化胆碱-甘油(1:2)对CO2的溶解能力(J.Chem.Thermodyn.,2013,57,131-136)。在30℃，0.187MPa时，每克吸收剂可吸收CO2 0.0064克。上述结果表明，低共熔溶剂对CO2的吸收能力较弱。如何提高低共熔溶剂对CO2的吸收能力，是人们需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效捕集CO2的低共熔溶剂体系及其制备方法与应用，本发明低共熔溶剂体系对CO2具有较高的吸收容量，能脱吸附循环使用。
本发明提供的一种高效捕集CO2的低共熔溶剂体系，该低共熔溶剂体系由季铵盐和/或季鏻盐与乙二醇组成。
上述的低共熔溶剂体系中，所述季铵盐与所述乙二醇的摩尔比可为1:2～8，具体可为1:2、1:3、1:4、1:2～4或1:2～6；
所述季鏻盐与所述乙二醇的摩尔比可为1:2～8，具体可为1:2、1:3、1:4、1:2～4或1:2～6。
上述的低共熔溶剂体系中，所述季铵盐为结构式如式Ⅰ所示的四乙基铵咪唑盐和/或结构式如式Ⅱ所示的四乙基铵***盐；
所述季鏻盐为结构式如式Ⅲ所示的四乙基鏻咪唑盐和/或结构式如式Ⅳ所示的四乙基鏻***盐；
本发明中，所述四乙基铵咪唑盐记为[N2222][Im]，所述四乙基铵***盐记为[N2222][Triz]，所述四乙基鏻咪唑盐记为[P2222][Im]，所述四乙基鏻***盐记为[P2222][Triz]。
本发明还提供了上述的低共熔溶剂体系的制备方法，包括如下步骤：将所述季铵盐和/或所述季鏻盐与所述乙二醇混合，加热至体系全部变成液体，冷却至室温，即得所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系。
上述的制备方法中，所述加热的温度可为70～90℃，具体可为70℃。
本发明所述的高效捕集CO2的低共熔溶剂体系应用于制备CO2吸收剂中。
本发明所述的高效捕集CO2的低共熔溶剂体系应用在吸收CO2中。
本发明进一步提供了一种利用所述的低共熔溶剂体系吸收二氧化碳的方法，包括如下步骤：将所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系与含二氧化碳的气体接触吸收，即能吸收二氧化碳。
本发明利用所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系吸收二氧化碳的方法，具体包括如下步骤：使含二氧化碳的气体缓慢通入盛有所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系的容器中，控制压力和温度，吸收过程中进行称重，直至容器的质量不再变化，即可。
上述的方法中，所述接触吸收的过程中吸收气体压力可为0.01～0.1MPa，具体可为0.1MPa，吸收温度可为20～60℃。
上述的方法中，所述方法中还包括将吸收了二氧化碳的所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系加热，脱附出二氧化碳气体回收所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系的步骤。
上述的方法中，所述脱附的温度可为70～100℃。
本发明具有以下优点：
本发明低共熔溶剂体系对CO2具有较高的吸收容量，循环使用效果好，能实现对CO2的高效可逆吸收。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、高效捕集CO2的低共熔溶剂体系的制备
通过下述1)-6)分别制备得到高效捕集CO2的低共熔溶剂体系，具体如下：
1)将四乙基氢氧化铵水溶液加入到圆底烧瓶中，然后加入等摩尔的咪唑。室温下搅拌反应2小时。反应结束后，加热旋蒸除去水分，并真空干燥，得到室温下为固体的四乙基铵咪唑盐([N2222][Im])。将四乙基铵咪唑盐和乙二醇(EG)按照摩尔比为1:2的比例在70℃加热搅拌，至到混合体系全部变成液体，然后冷却至室温，即可获得低共熔溶剂，记为[N2222][Im]-EG(1:2)。
2)将四乙基氢氧化铵水溶液加入到圆底烧瓶中，然后加入等摩尔的咪唑。室温下搅拌反应2小时。反应结束后，加热旋蒸除去水分，并真空干燥，得到室温下为固体的四乙基铵***盐([N2222][Im])。将四乙基铵咪唑盐和乙二醇(EG)按照摩尔比为1:3的比例在70℃加热搅拌，至到混合体系全部变成液体，然后冷却至室温，即可获得低共熔溶剂，记为[N2222][Im]-EG(1:3)。
3)将四乙基氢氧化铵水溶液加入到圆底烧瓶中，然后加入等摩尔的***。室温下搅拌反应2小时。反应结束后，加热旋蒸除去水分，并真空干燥，得到室温下为固体的四乙基铵***盐([N2222][Triz])。将四乙基铵***盐和乙二醇(EG)按照摩尔比为1:2的比例在70℃加热搅拌，至到混合体系全部变成液体，然后冷却至室温，即可获得低共熔溶剂，记为[N2222][Triz]-EG(1:2)。
4)将四乙基氢氧化铵水溶液加入到圆底烧瓶中，然后加入等摩尔的***。室温下搅拌反应2小时。反应结束后，加热旋蒸除去水分，并真空干燥，得到室温下为固体的四乙基铵***盐([N2222][Triz])。将四乙基铵***盐和乙二醇(EG)按照摩尔比为1:3的比例在70℃加热搅拌，至到混合体系全部变成液体，然后冷却至室温，即可获得低共熔溶剂，记为[N2222][Triz]-EG(1:3)。
5)四乙基氢氧化鏻水溶液可利用四乙基溴化鏻为原料，通过强碱性离子交换树脂法获得。然后将四乙基氢氧化鏻水溶液加入到圆底烧瓶中，然后加入等摩尔的咪唑。室温下搅拌反应2小时。反应结束后，加热旋蒸除去水分，并真空干燥，得到室温下为固体的四乙基鏻咪唑盐([P2222][Im])。将四乙基鏻咪唑盐和乙二醇(EG)按照摩尔比为1:2的比例在70℃加热搅拌，至到混合体系全部变成液体，然后冷却至室温，即可获得低共熔溶剂，记为[P2222][Im]-EG(1:2)。
6)将四乙基氢氧化鏻水溶液加入到圆底烧瓶中，然后加入等摩尔的***。室温下搅拌反应2小时。反应结束后，加热旋蒸除去水分，并真空干燥，得到室温下为固体的四乙基鏻***盐([P2222][Triz])。将四乙基鏻***盐和乙二醇(EG)按照摩尔比为1:2的比例在70℃加热搅拌，至到混合体系全部变成液体，然后冷却至室温，即可获得低共熔溶剂，记为[P2222][Triz]-EG(1:2)。
实施例2、
在内径为10mm的玻璃试管中，分别加入约2.0g本发明实施例1制备的低共熔溶剂[N2222][Im]-EG(1:2)，然后缓慢通入CO2气体，流量为50mL/min，吸收气体压力为0.1MPa，控制温度为25℃，吸收过程中通过电子分析天平进行称重，间隔一段时间称量玻璃试管的质量直至不再变化。计算得出每克溶剂吸收CO2 0.129克。
实施例3、
在内径为10mm的玻璃试管中，分别加入约2.0g本发明实施例1制备的低共熔溶剂[N2222][Triz]-EG(1:2)，然后缓慢通入CO2气体，流量为50mL/min，吸收气体压力为0.1MPa，控制温度为25℃，吸收过程中通过电子分析天平进行称重，间隔一段时间称量玻璃试管的质量直至不再变化。计算得出每克溶剂吸收CO2 0.125克。
实施例4、
在内径为10mm的玻璃试管中，分别加入约2.0g本发明实施例1制备的低共熔溶剂[P2222][Im]-EG(1:2)，然后缓慢通入CO2气体，流量为50mL/min，吸收气体压力为0.1MPa，控制温度为25℃，吸收过程中通过电子分析天平进行称重，间隔一段时间称量玻璃试管的质量直至不再变化。计算得出每克溶剂吸收CO2 0.118克。
实施例5、
在内径为10mm的玻璃试管中，分别加入约2.0g本发明实施例1制备的低共熔溶剂[P2222][Triz]-EG(1:2)，然后缓慢通入CO2气体，流量为50mL/min，吸收气体压力为0.1MPa，控制温度为25℃，吸收过程中通过电子分析天平进行称重，间隔一段时间称量玻璃试管的质量直至不再变化。计算得出每克溶剂吸收CO2 0.118克。
实施例6、
在内径为10mm的玻璃试管中，加入约2.0g本发明实施例1中4)所合成的低共熔溶剂[P2222][Triz]-EG(1:2)，然后通入纯的CO2气体，气体流量为50mL/min，温度为25℃，压力为0.1MPa，间隔一定时间称量玻璃试管的重量直至质量不再变化，约40min达到吸收平衡。吸收完毕后，通入N2，流量为50mL/min，解吸温度为70℃，解吸约45min，该低共熔溶剂吸收的CO2完全释放出来。按照上述步骤，循环吸收解吸5次，低共熔溶剂对CO2的吸收量基本保持稳定。具体结果如下表(表1)。
表1低共熔溶剂[P2222][Triz]-EG(1:2)五次循环吸收CO2的实验结果
由上述实验结果可知，本发明高效捕集CO2的低共熔溶剂体系对CO2具有较高的吸收容量，吸收的CO2完全释放出来，循环吸收解吸5次，低共熔溶剂对CO2的吸收量基本保持稳定，进一步说明本发明循环使用效果好，能实现对CO2的高效可逆吸收。

Claims (10)

1.一种高效捕集CO2的低共熔溶剂体系，其特征在于：该低共熔溶剂体系由季铵盐和/或季鏻盐与乙二醇组成。
2.根据权利要求1所述的低共熔溶剂体系，其特征在于：所述季铵盐与所述乙二醇的摩尔比为1:2～8；
所述季鏻盐与所述乙二醇的摩尔比为1:2～8。
3.根据权利要求1或2所述的低共熔溶剂体系，其特征在于：所述季铵盐为结构式如式Ⅰ所示的四乙基铵咪唑盐和/或结构式如式Ⅱ所示的四乙基铵***盐；
所述季鏻盐为结构式如式Ⅲ所示的四乙基鏻咪唑盐和/或结构式如式Ⅳ所示的四乙基鏻***盐；
4.权利要求1-3中任一项所述的低共熔溶剂体系的制备方法，包括如下步骤：将所述季铵盐和/或所述季鏻盐与所述乙二醇混合，加热至体系全部变成液体，冷却至室温，即得所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述加热的温度为70～90℃。
6.权利要求1-3中任一项所述的高效捕集CO2的低共熔溶剂体系在制备CO2吸收剂中的应用。
7.一种利用权利要求1-3中任一项所述的低共熔溶剂体系吸收二氧化碳的方法，包括如下步骤：将所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系与含二氧化碳的气体接触吸收，即能吸收二氧化碳。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述接触吸收的过程中吸收气体压力为0.01～0.1MPa，吸收温度为20～60℃。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述方法中还包括将吸收了二氧化碳的所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系加热，脱附出二氧化碳气体回收所述高效捕集CO2的低共熔溶剂体系的步骤。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于：所述脱附的温度为70～100℃。
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