一种高效捕集二氧化碳的新型吸收剂及其制备与应用

本发明属于二氧化碳捕集及分离，涉及一种高效捕集二氧化碳的新型吸收剂及其制备与应用。

背景技术：

1、由化石燃料燃烧产生的大量co2排放到大气中，会导致一系列的环境问题，如产生温室效应，造成海平面上升、物种濒临灭绝、病虫害增加以及土地沙漠化面积增大等。采用co2捕集、封存和再利用(ccus)策略，是目前国际最先进的co2处理理念。在ccus策略中，封存和再利用都是基于co2的捕集，是策略的核心部分，所以设计一款合适的co2捕集剂是一项亟需解决的问题。

2、在二氧化碳捕集技术中，化学吸收剂作为化学吸收法的重要部分之一，直接影响co2捕集的再生能耗，理想的吸收剂可以推动碳捕集的广泛应用。目前化学吸收剂主要分为碱性水溶液吸收剂、离子液体吸收剂、深度共晶吸收剂等。

3、醇胺溶液的化学吸收法捕集co2是目前应用较为广泛且技术较为成熟的一种方法。传统吸收剂如单乙醇胺(mea)，虽然吸收速度较快，但是存在吸收能力较低、再生能耗高且溶剂损失大等弊端。醇胺法(专利cn 117323788 a、cn 110624363 a、cn 108854465 b)捕集二氧化碳具有成本较低、捕集能力强、反应稳定和技术成熟等优点，但有机胺有着高挥发性的物理特性，在工况长时间运行后，有机胺不断挥发会造成吸收剂大量损耗，会导致吸收-解吸性能的大幅下降。

4、而离子液体吸收剂由于其盐溶液的特性而无饱和蒸气压，且具有较强的热氧稳定性、环境友好、成本低廉以及无挥发损耗等特点，能较好的解决连续工艺挥发损耗大以及易发生热氧降解的问题。专利cn113491934a公开了一种离子液体二氧化碳吸收剂，捕集能力及能耗均优于mea且运行成本低，但离子液体的合成复杂，价格昂贵，部分生物难降解，粘度过高而不利于气液的传质。专利cn102527192a公开了一种具有氨基酸结构的阴离子和有机胺盐阳离子的离子液体，其制备工艺复杂，吸收量低，再生率不高于70％。

5、深度共晶溶剂(des)是由氢键受体与氢键供体经氢键作用而形成的一种新型吸收剂，深度共晶溶剂兼具离子液体与有机胺吸收剂捕集co2的优势，其不易挥发、无腐蚀性、低毒性、易制备且结构间可调节，是一种新型的类离子液体溶剂，相比于离子液体具有制备简单、全原子转化以及无需后续纯化处理的优点。专利cn 117771891 a公开了一种可再生芳香胺功能化深度共晶溶剂捕集二氧化碳的方法，其以芳香胺功能化深度共晶溶剂作为吸收剂吸收常压以及低浓度co2，co2的吸收量为0.646mol co2/mol des，吸收量较低且制备工艺复杂。专利cn 117323783 a公开了一种[dbnh][pho]/bso(1:1)的吸收剂，吸收温度为40℃，吸收时间为5小时，虽然常压下吸收量不低于1.2mol co2/mol des，但其吸收时间太久，效率低。

6、可以看出，合成容易，在常压下具有高吸收能力、高吸收/解吸效率的co2捕集剂是实现绿色低能耗二氧化碳捕集利用的关键问题。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述缺点、不足，尤其是对于常规离子液体类吸收剂吸容量低及功能化离子液体吸收后粘度急剧增加的问题，本发明的目的是提供一种低粘度、高吸收量、高电导率的新型吸收剂即超强碱-醇类用于co2的吸收，超强碱和醇类通过氢键结合在一起形成的分子液体，能够高效吸收co2，吸收后粘度增幅小，且容易再生，再生速率快。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种高效捕集二氧化碳的新型吸收剂，为玻璃体分子溶剂(gms)，由醇和超强碱或醇、超强碱和亚胺按照比例构成的分子液体。所述gms在冷却过程中无结晶凝固点，只存在玻璃转化温度，在常温常压下吸收co2的吸收量范围为0.176g co2/g gms～0.285g co2/ggms，吸收剂吸收co2后粘度低于30mpa·s，电导率最高达13240μs·cm-1；

4、所述醇作为氢键供体，为一元醇、二元醇或三元醇中的一种；

5、其中，一元醇选自甲醇、乙醇、正丙醇、丁醇、十二醇及薄荷醇中的一种或多种，优选为甲醇；

6、二元醇选自乙二醇(eg)、丙二醇、丁二醇中的一种或多种；

7、三元醇选自丙三醇、丁三醇中的一种或多种；

8、所述超强碱或亚胺为氢键受体，选自1,5-二氮杂二环[4.3.0]壬-5-烯(dbn)、1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯(dbu)、7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(mtbd)、三乙烯二胺、四甲基乙二胺、4-二甲氨基吡啶、琥珀酰亚胺(suc)、n-羟基琥珀酰亚胺(hosu)中的一种或多种。

9、所述高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的制备方法，为氢键受体与氢键供体混合加热搅拌形成玻璃体分子溶剂吸收剂，包括以下步骤：

10、步骤1.称量氢键受体，向其中添加氢键供体进行混合，得到清晰均匀的混合物；

11、步骤2.将配好的混合物在30℃-50℃水浴加热后进行保温，保温时间为20min-50min，后冷却至室温即可得到吸收剂gms，在水浴前后物质质量不变。

12、步骤1中，所述氢键受体与氢键供体的摩尔比为1:(1～10)；

13、所述高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的应用方法，包括以下步骤：

14、s1.将高效捕集二氧化碳的新型吸收剂在给定温度下吸收co2；

15、s2.将吸收co2的溶剂加热，研究体系的循环再生性能。

16、s1中，称取配置好的吸收剂1.5g-7g，吸收温度在-30℃-50℃下，压力在0.1bar-30bar，以恒定co2流速100ml/min-150ml/min通入吸收剂中；

17、s2中，循环再生性能包括吸收性能和解吸性能；

18、其中，吸收性能研究过程为：每间隔30s-2min称量吸收瓶的总质量并记录，开始吸收10min-20min后，吸收瓶质量不再变化，认为达到吸收平衡，停止吸收实验；

19、最快吸收速率可达0.126g co2/(g gms·min)。

20、解吸性能研究过程为：对吸收co2后的吸收剂解吸，探究吸收剂的可逆过程，温度在60℃-100℃，在解吸阶段，系统向大气开放，从开始解吸10min-37min后，吸收剂质量不再减小时，则认为解吸完全。

21、解吸温度低，最低可在60℃条件下进行co2解吸；解吸速率快，最快可在10min释放体系中全部的co2。

22、本发明的捕集二氧化碳的方法，以醇和超强碱或醇、超强碱和亚胺为原料，制备一种新型的二元或多元玻璃体分子溶剂，整个工艺流程简单，降低了功能化离子液体类吸收剂的成本与解吸能耗、提高了吸收剂的环保性能。本发明方法的原理是：醇和超强碱或醇、超强碱和亚胺通过氢键结合在一起形成玻璃体分子溶剂，同时溶剂中产生了少量的质子化的超强碱阳离子和去质子化的醇阴离子。向溶剂中输入co2之后，去质子化的醇与co2发生化学作用生成烷基碳酸盐，消耗了溶剂中的去质子化醇阴离子，促使醇分子不断发生去质子化反应，从而为二氧化碳吸收持续提供反应物质。醇分子除了上述作用外，因为其能阻止dbn分子直接与co2反应，从而保证吸收二氧化碳后的体系拥有较低的黏度，进而促使co2的化学吸收反应以较快的速率发生。co2在捕集剂中的主要存在形式变为烷基碳酸盐，同时伴有少量附加产物氨基甲酸酯类，由于体系中没有水的存在，不会生成无机碳酸盐(hco3-/co32-)，降低了吸收剂对容器的腐蚀。这体现出玻璃体溶剂与传统水溶液体系在吸收机理方面的显著区别，同时保证了玻璃体溶剂具有低腐蚀性的优点。

23、与现有技术相比，本发明具有的优点：

24、(1)本发明提供的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂gms制备工艺简单，原子利用率高，原子利用率达到100％；

25、(2)吸收剂吸收二氧化碳后，粘度低，最低仅为9.30mpa·s；

26、(3)吸收二氧化碳后，吸收剂电导率高，最高从吸收前的100.6μs·cm-1增大为13240μs·cm-1，是原来的130倍，在co2电化学转化方面具有广阔的应用前景；

27、(4)co2吸收量大，吸收量最高可达0.285g co2/g gms。

技术特征：

1.一种高效捕集二氧化碳的新型吸收剂，其特征在于，为玻璃体分子溶剂gms，由醇和超强碱或醇、超强碱和亚胺按照比例构成的分子液体，在常温常压下吸收co2的吸收量范围为0.176g co2/g gms～0.285g co2/g gms，吸收剂吸收co2后粘度低于30mpa·s，电导率最高达13240μs·cm-1；

2.根据权利要求1所述的一种高效捕集二氧化碳的新型吸收剂，其特征在于，所述醇作为氢键供体，为一元醇、二元醇或三元醇中的一种或多种组合；

3.权利要求1或2所述的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的制备方法，其特征在于，为氢键受体与氢键供体混合加热搅拌形成玻璃体分子溶剂吸收剂，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的制备方法，其特征在于，步骤1中，氢键受体与氢键供体的摩尔比为1:(1～10)。

5.根据权利要求3所述的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的制备方法，其特征在于，步骤2中，水浴加热温度为30℃-50℃，保温时间为20min-50min。

6.权利要求1或2所述高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的应用方法，其特征在于，s1中，称取配置好的吸收剂1.5g-7g，吸收温度在-30℃-50℃下，压力在0.1bar-30bar，以恒定co2流速100ml/min-150ml/min通入吸收剂中。

8.根据权利要求6所述的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的应用方法，其特征在于，吸收速率快，在10min-20min内达到吸收平衡，最快吸收速率可达0.126g co2/(g gms·min)。

9.根据权利要求6所述的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的应用方法，其特征在于，解吸温度低，最低可在60℃条件下进行co2解吸。

10.根据权利要求6所述的高效捕集二氧化碳的新型吸收剂的应用方法，其特征在于，解吸速率快，最快可在10min释放体系中全部的co2。

技术总结
本发明属于二氧化碳捕集及分离领域，具体涉及一种高效捕集二氧化碳的新型吸收剂及其制备与应用。本发明提供的吸收剂包含氢键受体和氢键供体，二者摩尔比为1:(1～10)；其中氢键受体为超强碱(DBN、DBU、MTBD)、三乙烯二胺、四甲基乙二胺、4‑二甲氨基吡啶、琥珀酰亚胺、N‑羟基琥珀酰亚胺中的一种或多种，氢键供体为一元醇、二元醇、三元醇中的一种或多种。本发明提出的二元或多元玻璃体分子溶剂，制备流程简单可行，降低了生产成本与解吸能耗，在二氧化碳捕集过程中保持低粘度、高电导率、超强吸收能力，吸收量最高可达0.285g CO<subgt;2</subgt;/g GMS，并且在电化学方向具有广阔的应用前景。

技术研发人员：高炳亮,谭祺,邬何平
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5