【摘 要】
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目前,工业排放的二氧化碳(CO2)是造成世界范围气候变化的主要温室气体。以醇胺水溶液吸收法为基础的工艺是目前最成熟且广泛应用的CO2捕获技术。然而,由于需要大量水作为稀释剂以降低吸收剂粘度,导致高能耗、溶剂挥发和设备腐蚀成为其不可避免的缺点。因此,发展非水相CO2捕集技术,通过降低体系比热容和吸收焓,进而降低脱附能耗的方法日渐成为学术和工业界的重要研究方向。当前,非水相吸收剂的结构设计和工艺开发已
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目前,工业排放的二氧化碳(CO2)是造成世界范围气候变化的主要温室气体。以醇胺水溶液吸收法为基础的工艺是目前最成熟且广泛应用的CO2捕获技术。然而,由于需要大量水作为稀释剂以降低吸收剂粘度,导致高能耗、溶剂挥发和设备腐蚀成为其不可避免的缺点。因此,发展非水相CO2捕集技术,通过降低体系比热容和吸收焓,进而降低脱附能耗的方法日渐成为学术和工业界的重要研究方向。当前,非水相吸收剂的结构设计和工艺开发已经取得了很大的进展,但是其工业应用仍然面临着工作粘度过大、成本过高的困境,从而产生捕集效率低和难以管道输送等问题。本论文针对非水相CO2吸收剂的工作粘度问题,通过引入烷氧基功能化策略,发展了两类高容量、低粘度的非水相CO2捕集体系,在分子水平上探究了结构设计对捕集性能的影响方式和作用机理,主要内容如下:(1)本论文第一部分工作设计合成了一系列烷氧基功能化甲胺型非水相CO2吸收剂,该类吸收剂可在捕集过程中保持较低的工作粘度(25 oC下为48-114c P,40 oC下为27-63 c P),同时具有出色的捕集容量(25 oC下为15-21wt%,40 oC下为13-20wt%)。通过原位红外光谱、密度泛函计算和对照实验的结合,本文论证了吸收过程中原位生成的氨基甲酸与吸收剂柔性烷氧基侧链之间形成的分子内氢键作用是提高体系捕集容量和流动性的关键,进一步解释了吸收剂粘度降低机制。该类吸收剂的CO2脱附温度较低,在环境压力下以75 oC加热即可实现完全脱附。此外,在环境条件下处于吸收饱和状态的吸收剂能够在密闭系统内80 oC下连续加热48 h而结构不变,显示出良好的热稳定性。最后,由于烷氧基官能团的亲CO2特性,该类吸收剂在高压下(20和30 bar)表现出显著的物理吸收能力,具有一定的高压应用潜力,为非水相吸收剂的工业化奠定了理论基础。(2)本论文第二部分工作设计合成了一类非水相双组分烷氧基功能化乙二胺型CO2吸收剂,通过质子给体-质子受体型的协同作用,在保持高捕集容量的同时,降低体系工作粘度和脱附能耗。该类双组分吸收剂有着出色的CO2捕集能力(25和40 oC时高达21 wt%),并且在吸收饱和情况下保持着较低粘度(25 oC时不高于150 c P,在40 oC时不高于60 c P)。同时,本文通过脱附温度、再生焓和挥发温度等三项热力学参数考察了吸收剂的脱附性能和能耗,揭示了该体系良好的能量利用效率。此外,密闭条件的热稳定性实验表明,该类烷氧基功能化吸收剂可在空气环境内80 oC下加热至少48 h仍保持结构不变。接着本文还利用原位红外光谱技术对CO2捕集和脱附过程进行实时跟踪,揭示其具有优异的可逆性。经过十次循环的吸收-解吸过程,捕集能力几乎没有发生变化。最后,通过VLE实验揭示了吸收剂在不同压力(小于1 MPa)下的适用性,同时在高压(20和30 bar)条件下,展现出色的耐受性和捕获能力,是一类工业可替代的CO2吸收剂。该类双组分高效CO2捕集的贫水吸收剂的研究为CO2的有机相吸收剂提供了新的策略支持。
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