功能型離子電解質(zhì)的制備及捕獲CO2性能研究

蔡龍 魏壯壯 買雪媛 徐海濤 劉昕

摘 要：文章采用親核加成的方法制備一種新型的功能型離子液體——1-二乙二醇單甲醚-3-甲醚咪唑甘氨酸鹽，并對(duì)其捕獲CO2的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，1-二乙二醇單甲醚-3-甲醚咪唑甘氨酸鹽捕獲CO2具有捕獲容量高、速度快、高速可逆的特點(diǎn)，在低溫捕獲的CO2可以在高溫下有效解吸，材料是可再生的。

關(guān)鍵詞：離子液體；捕獲CO2；重要性

1 概述

化石燃料燃燒產(chǎn)生的大量CO2是造成全球氣候變暖的主要原因[1-2]。CO2的傳統(tǒng)捕獲方法是有機(jī)胺的水溶液法，這種方法具有損失高、腐蝕性高及再生能量高等缺點(diǎn)，開新型CO2捕獲材料顯得尤為迫切。文章采用親核加成多作用位點(diǎn)定向組裝的方法，制作出了功能型離子電解質(zhì)-1-二乙二醇單甲醚-3-甲醚咪唑甘氨酸鹽，并對(duì)其CO2捕獲性能進(jìn)行了研究。文章旨在探索一種制備成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，具有更高的CO2捕獲容量和更快的捕獲速度的功能型 離子液體的方法。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

材料：二氯亞砜、二乙二醇單甲醚、1-甲基咪唑等均為分析純，西隴化工股份有限公司。環(huán)己烷、離子交換樹脂、甘氨酸，均為分析純，純度>99.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑股份有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將1mol二乙二醇乙醚、1mol干燥吡啶和400ml干燥氯仿加入三口燒瓶中，并通N2 5min，再將1.5mol二氯亞砜和200ml干燥吡啶在3h左右滴入上述燒瓶中，且保持冰浴環(huán)境。將三口燒瓶移至硅油浴中，緩慢升溫到120℃，恒溫反應(yīng)6h，得到粗產(chǎn)物，將此粗產(chǎn)物經(jīng)過(guò)離子交換樹脂過(guò)柱，將過(guò)柱后的液體和甘氨酸避光反應(yīng)72h得到最終產(chǎn)物。

2.3 CO2的捕獲和解析

捕獲實(shí)驗(yàn)操作：取三份等量離子電解質(zhì)放于20℃、30℃、40℃的水浴鍋中，并保持溫度恒定。再將儲(chǔ)存CO2儲(chǔ)氣瓶的出口通入上述三份樣品中，且保持密封。每隔5min稱量一次總質(zhì)量，直到質(zhì)量不再變化為止，即達(dá)到吸收平衡。

2.4 CO2的解析

將飽和吸收樣品分別放在80℃、90℃、100℃環(huán)境下進(jìn)行熱解析，每隔5min分別稱量三者的質(zhì)量變化，直到解析平衡，質(zhì)量不再變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 CO2的捕獲：在20℃、0.1MPa下，隨著捕獲過(guò)程的進(jìn)行，離子電解質(zhì)的質(zhì)量逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定。捕獲質(zhì)量與吸收時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1所示。圖表明，離子電解質(zhì)對(duì)CO2的捕獲過(guò)程是快速的，前期對(duì)CO2捕獲速率較快，而后期吸收速率較小。在100min時(shí)間內(nèi)完成飽和吸收，單位摩爾量的樣品捕獲容量最高達(dá)到0.56molCO2。

溫度對(duì)離子電解質(zhì)捕獲CO2的過(guò)程有著較大的影響。不同溫度下，離子電解質(zhì)捕獲CO2的曲線如圖1所示。圖1表明，低溫有利于樣品捕獲CO2，但高溫可能對(duì)離子電解質(zhì)解吸CO2有利，在適溫下捕獲的CO2，可以通過(guò)高溫解吸，從而使功能型離子電解質(zhì)可再生。

由圖2的紅外測(cè)定圖可知，樣品吸收前后的峰有所不同，也就是說(shuō)，樣品吸收前后的結(jié)構(gòu)有了變化，發(fā)生了化學(xué)變化。C-N（1305 cm-1）峰強(qiáng)顯著增加，同時(shí)在（1364cm-1）出現(xiàn)羧基的伸縮震動(dòng)吸收峰，表明有胺鹽結(jié)構(gòu)的生成，和上文反應(yīng)方程式中帶有胺鹽結(jié)構(gòu)的最后產(chǎn)物不謀而合。

圖2 樣品吸收前后的紅外圖

4 結(jié)束語(yǔ)

功能型咪唑基離子電解質(zhì)能夠捕獲和解吸CO2，且溫度對(duì)這兩過(guò)程具有決定性影響，在30℃單位摩爾量的樣品捕獲容量最高達(dá)到0.56molCO2，捕獲過(guò)程在100min內(nèi)完成。該功能型咪唑基離子電解質(zhì)在燃?xì)饣驘煔饷撎碱I(lǐng)域可能有良好的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]Welton. T. Chem Rev，1999，99：20712 2083.

[2]Olivier H. J MolCatal，1999，146：2852289.

作者簡(jiǎn)介：蔡龍（1993-），男，南昌航空大學(xué)本科生，研究方向：功能離子液體。

*指導(dǎo)教師：徐海濤，劉昕