MEA/离子液体混合水溶液吸收CO_2的传质—反应机理

【摘要】温室气体引起的全球气候变暖已成为国际上关注的焦点。而C02作为最主要的温室气体,其控制与减排刻不容缓。一乙醇胺(MEA)化学吸收法是当今工业C02捕集应用最广泛吸收剂,具有吸收速率快、选择性良好等优势。论文研究的重点是基于传统MEA吸收法的基础上,通过离子液体的强化手段,提高混合体系的吸收容量,改善其抗氧化和再生能力,并降低再生能耗从而弥补传统MEA法的缺陷,使得强化后的吸收法更有利于工业应用与推广。论文选择MEA/离子液体混合水溶液吸收CO2的新体系,利用亲水性离子液体或实验室自行研发的高效功能性离子液体与MEA配比形成均一水溶液吸收C02,取得了以下的研究结果：(1)对常规离子液体进行筛选后,发现MEA与1-丁基3-甲基-咪唑四氟硼酸钠([Bmim]BF4)这一混合体系具有良好的亲和性,具有较高的吸收负荷(0.447molCO2/molabsorbent)以及良好的抗氧化和再生能力；基于吸收-再生性能以及稳定性等评估考核,确定了MEA/[Bmim]BF4混合水溶液的最佳摩尔配比为7：3,并探讨了两组分在混合体系中的交互作用。(2)结合有机胺“两性离子”反应机理以及混合溶液吸收特性考察结果,阐明了MEA/[Bmim]BF4混合水溶液体系吸收C02的机理,认为这一体系中仍然是MEA与C02的化学反应为主,并以[Bmim]BF4促进C02水解的反应为辅的耦合作用机制；建立了这一体系中C02的传质-反应动力学模型,确定了其吸收C02属拟一级快速反应；获得混合体系吸收C02过程的反应速率常数k2,mix为3487.6m3·kmol-1·s-1,离子液体促进CO2水解吸收的反应速率常数k2,IL为1936.7m3·kmol·s-1。(3)由于常规离子液体对混合体系的吸收能力促进效果有限,因此合成了亲水性氨基酸功能性离子液体[C2OHmim][Gly]o这一功能性离子液体在室温下为固体,高温(80℃)下为液体；通过核磁共振分析,证实固体状态下的这一功能性离子液体无法直接与C02反应,溶解于有机溶剂也无法与C02反应,必须溶解于水中才能吸收CO2。相比于MEA以及MEA[Bmim]BF4混合水溶液,利用实验室合成的高效亲水功能性离子液体[C2OHmim][Gly]强化MEA吸收C02,在3%02浓度下还能保持较高的CO2吸收负荷(0.534molCO2molabsorbent),特别是在温度和氧气含量较高条件下,仍然具有较好的稳定性和抗氧化能力；同时也考察了MEA/[C2OHmim][Gly]混合溶液处理不同工艺工况条件烟气的吸收-再生特性。(4)研究了MEA/[C2OHmim][Gly]混合水溶液吸收CO2的反应机理,发现MEA与[C2OHmim][Gly]这两种物质在水溶液中均遵循“两性离子”反应机理与C02进行反应,且随着混合体系中[C2OHmim][Gly]浓度的增加总反应速率常数增大；利用双膜理论建立了这一新体系的传质-反应动力学模型,获得了重要的动力学参数,MEA/[C2OHmim][Gly]混合体系吸收C02过程的总反应速率常数k2,mix为6506.4m3·kmol-1·s-1,[C2OHmim][Gly]吸收C02的反应速率常数k2.AAIL为8980.6m3·kmol-1·s-1.本文也对比了MEA与这两类离子液体混合水溶液体系吸收C02的效果,证实利用亲水性离子液体以及功能性离子液体强化MEA的方法能有效保留MEA吸收C02反应速率快的特点,也能结合离子液体的稳定性增强体系的抗氧化能力,弥补MEA易降解、氧化的缺陷。其中[C2OHmim][Gly]功能性离子液对MEA法的强化效果更具优势。MEA/离子液体混合水溶液这一新C02捕集方法,将为目前亟待解决的C02控制与减排目标提供了新的思路,也为这一技术的进一步推广提供了基础数据与理论依据。
【作者】吕碧洪；
【导师】李伟；
【作者基本信息】浙江大学，环境工程，2014，博士
【关键词】CO2吸收；MEA；离子液体；反应机理；动力学；

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