近日，環(huán)境學(xué)院贠延濱教授課題組在CO2化學(xué)吸收方向取得研究成果，研究論文“Experimental and theoretical investigation of an ionic liquid-based biphasic solvent for post-combustion CO2 capture: Breaking through the “Trade-off” effect of viscosity and loading”發(fā)表于工程技術(shù)類一區(qū)TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=15.1）。贠延濱教授為通訊作者，論文第一作者為環(huán)境學(xué)院博士研究生毛家明，北京林業(yè)大學(xué)為第一完成單位。
圖1. 兩相溶劑吸收負(fù)荷、富相黏度與體積與文獻(xiàn)值對(duì)比
兩相溶劑在吸收一定負(fù)荷的CO2后會(huì)自動(dòng)分為富相和貧相，有助于降低CO2捕集再生過程中的能耗，引起了眾多研究者的關(guān)注。但是由于其自濃縮效應(yīng)，溶劑富相通常具有較高的黏度且隨著吸收負(fù)荷的提高而增加，這抑制了汽-液傳質(zhì)速率與活性位點(diǎn)的反應(yīng)率，成為制約兩相吸收劑發(fā)展的瓶頸問題。如何在不影響吸收負(fù)荷的前提下，突破富相黏度、負(fù)荷與富相體積三者之間的“權(quán)衡”效應(yīng)，仍缺乏相應(yīng)的研究。
圖2. 氨基甲酸與DGME形成氫鍵前后的電子密度差分析
在本工作中，設(shè)計(jì)并合成了一種具有多活性位點(diǎn)的離子液體二乙烯三胺-3-羥基吡啶鹽（[DETA][3HPyr]），與有機(jī)溶劑二乙二醇丁醚（DEME）復(fù)配制備了兩相溶劑。在最佳吸收條件下，其負(fù)荷可達(dá)2.67 mol·kg?1，富相黏度僅有28.1 mPa·s，富相體積僅有吸收劑總體積的36.3%。這優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的研究，成功突破了“權(quán)衡”效應(yīng)。13C NMR分析發(fā)現(xiàn)，吸收產(chǎn)物中含有氨基甲酸，這有助于吸收負(fù)荷的提高；同時(shí)氨基甲酸基團(tuán)為電中性，可以降低離子間相互作用，有助于降低黏度。DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩性離子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是吸收過程的限速步驟，氨基甲酸酯可以自發(fā)地作為質(zhì)子受體以促進(jìn)氨基甲酸的形成；同時(shí)由于DGME的烷-氧交替結(jié)構(gòu)，陽離子與DGME可以形成氫鍵二聚體，其間的氫鍵作用是氨基甲酸在堿性吸收劑環(huán)境中保持穩(wěn)定的原因。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，離子液體兩相吸收劑的相變機(jī)理是高極性多價(jià)陽離子的生成以及離子間電荷分布不均所導(dǎo)致的水-離子聚集，這與有機(jī)胺兩相吸收劑不同。該相變?nèi)軇┑姆磻?yīng)焓僅有?37.27 kJ·mol?1，再生能耗低至1.387 GJ·t?1。本研究完善了CO2的吸收機(jī)理，為相變吸收溶劑的設(shè)計(jì)與制備提供了新的研究視角。
圖3. 離子液體兩相吸收劑相變機(jī)理計(jì)算
本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2018YFB0604302-03)、北京新林環(huán)境科技有限公司(No. 2019-HXFW-HJ-0008)以及華北電力大學(xué)高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)項(xiàng)目（XM2412302）的資助。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724034788?via=ihub
