一种具有双重功能的离子液体双相吸附剂，用于高效捕获二氧化碳：吸附容量显著提升，再生能耗降低

《Separation and Purification Technology》：A dual-functional ionic liquid biphasic absorbent for efficient CO 2 capture: Enhanced capacity and reduced regeneration energy

双相离子液体吸收剂[AEPH][Im]/NPA/H2O通过分层富集CO2产物实现高吸收容量3.43 mol·L?1，同时利用双环结构降低反应焓，再生能耗仅1.58 GJ·t?1 CO2，循环稳定性达96.39%，优于传统MEA溶剂。

　　

李志毅|穆旭佳|魏伟|刘志军

大连理工大学流体与粉末工程研究院，中国大连116024

摘要

为克服传统基于离子液体的CO₂吸收剂的局限性——即高再生能耗和低吸收容量——研究人员合成并评估了一种新型的双相双功能离子液体系统[AEPH][Im]/NPA/H₂O。该系统在初始状态下是均匀的，但在吸收CO₂后会发生自发的相分离，形成富相和贫相。在饱和状态下，富相占总体积的53.00%，粘度为15.75 mPa·s，CO₂负载能力为3.43 mol·L^{?113C NMR分析和DFT计算表明，CO₂主要与[AEPH][Im]反应生成氨基甲酸盐、碳酸盐和碳酸氢盐，这些物质主要富集在富相中，而未反应的成分则留在贫相中。NPA通过与氨基甲酸盐的反应促进烷基碳酸盐的形成，高浓度的碳酸氢盐显著提高了解吸效率。总再生能耗计算结果仅为1.58 GJ·t?1 CO₂，远低于传统基于MEA的溶剂。[AEPH][Im]/NPA/H₂O双相系统表现出优异的循环稳定性、高CO₂捕获能力和低能耗，为工业规模的碳捕获应用提供了有前景的替代方案。}

引言

工业化导致了大量的化石燃料消耗，从而产生了大量的CO₂排放，这加剧了全球变暖、气候变化和海平面上升[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。因此，减轻这些排放至关重要。碳捕获、利用和储存（CCUS）是减少CO₂排放的最有效技术之一[6]、[7]、[8]。CO₂捕获技术是CCUS系统的关键组成部分，包括燃烧前捕获、燃烧后捕获和富氧燃烧[9]三种方法。目前，由于不需要对现有燃烧设备进行改造，燃烧后捕获方法因其成本效益而得到最广泛的应用。燃烧后CO₂捕获主要采用化学吸收方法[10]。单乙醇胺（MEA）水溶液是工业应用中最常用的化学吸收剂之一，因其高吸收率和大容量[11]、[12]。然而，在大规模工业应用中，MEA仍面临一些挑战，如高再生能耗（3.7–4.0 GJ·t^?1 CO₂[13]、[14]以及再生过程中大量的溶剂损失（1.33 mol/mol）[15]。因此，开发具有更低再生能耗和更好循环稳定性的新型吸收剂十分必要。

双相吸收剂因其低再生能耗而具有广阔的应用前景[2]、[16]。这是因为在吸收CO₂过程中，双相吸收剂会分裂成富相和贫相[17]，吸收产物主要集中在富相中，从而可以通过选择性再生富相来实现溶剂的再生，从而降低再生能耗[18]、[19]。白等人合成了EMEA/DEEA/PX双相吸收剂，其再生能耗低至1.71 GJ·t^?1 CO₂[20]；叶等人开发了TETA/DEEA/H₂O双相吸收剂，再生能耗为1.89 GJ·t^?1 CO₂[21]；王等人制备了MEA/NPA/H₂O双相吸收剂，再生能耗为2.40 GJ·t^?1 CO₂[22]。双相吸收剂由主要吸收剂、相变促进剂和溶剂组成，目前大多数双相吸收剂使用有机胺作为主要吸收剂。尽管通过降低显热和潜热降低了再生能耗，但仍存在反应热高和吸收剂挥发性等问题。

离子液体（ILs）作为一种新兴的绿色溶剂，具有蒸汽压低、热稳定性高和可设计性强等优点[23]、[24]、[25]、[26]。离子液体由有机或无机阴离子和阳离子组成，通过结构工程可以改善CO₂吸收性能并降低再生能耗[27]，例如通过修改官能团的类型和数量。值得注意的是，具有空间位阻效应的杂环化合物可以进一步降低能耗[28]、[29]、[30]。然而，由于阳离子和阴离子之间的氢键作用，高粘度仍然是一个主要挑战。为了解决这个问题，通常会添加溶剂以提高流动性和传质性能[31]，但这也会增加系统的显热和潜热。

为了解决这些挑战，研究人员提出了基于离子液体的双相吸收剂策略[32]，该方法通过降低潜热、显热和反应热来减少再生能耗，并能够调节相体积、吸收容量、相粘度和吸收产物的分布。韩等人[33]合成了[DETAH][PY]-DEDM-H₂O双相吸收剂，在403.15 K时的吸收容量为1.515 mol CO₂ / mol IL，再生效率为90.75%。孙等人[25]开发了[N₂₂₂₂][1,2,4-Triz]/N-MI双相吸收剂，再生能耗低至1.29 GJ·t^?1 CO₂。黄等人[34]合成了[TETAH][Lys]-乙醇-水双相吸收剂，粘度为27.95 mPa·s；加入贫相后，解吸效率达到91.30%。刘等人[35]制备了[DETA][SER]/NHD/H₂O双相吸收剂，粘度仅为7.82 mPa·s，吸收容量为1.26 mol / mol IL，393.15 K时的解吸效率为77.08%。然而，上述研究尚未实现高CO₂负载能力和低再生能耗之间的平衡。这是因为高CO₂负载能力需要较高的离子液体浓度，这会增加反应系统的粘度，降低传质效率，并对CO₂吸收速率产生负面影响。从根本上说，富相粘度和负载能力之间存在权衡。另一方面，再生过程需要活化剂或N₂脱气来实现高效再生。活化剂通常是贫相（醇类），醇类的添加可以与吸收产物氨基甲酸盐反应生成更容易再生的烷基碳酸盐；N₂脱气可以去除再生的CO₂并促进解吸反应的进行，从而提高解吸速率。为了避免添加活化剂和N₂脱气的繁琐步骤，本研究使用了环状阴离子和阳离子作为主要吸收剂。吸收CO₂后得到的反应产物大多不稳定，容易分解为碳酸氢盐，有利于富相的再生。

因此，在本研究中，合成了一种新型的双功能离子液体吸收剂[AEPH][Im]/NPA/H₂O，以实现高效的CO₂捕获。[AEPH][Im]作为主要吸收剂，[AEP]⁺和[Im]^?都为CO₂提供了反应位点，确保了优异的捕获性能。此外，阳离子和阴离子均为杂环结构，其空间位阻效应有助于促进良好的再生。一级和二级胺通过两性离子机制与CO₂反应，而三级胺与CO₂和H₂O反应生成碳酸氢盐。这种双重机制构成了该吸收剂的双功能性[36]。同时，NPA作为相分离调节剂促进相变。水作为溶剂降低了富相的粘度；三级胺与CO₂的反应也需要水的参与。该系统无需活化剂或N₂脱气即可表现出出色的再生能力。再生后，富相可以与贫相混合形成均匀相，显示出良好的循环稳定性。此外，富相具有高CO₂负载能力和低粘度。

化学物质

N-氨基乙基哌嗪（AEP，98%）和咪唑（Im，98%）由上海麦克林生化科技有限公司提供。N-丙醇（NPA，98%）、正丁醇（NBA，98%）、聚乙二醇二甲醚（NHD，98%，平均分子量约250，聚合度约4–5）、亚砜（SL，98%）、乙二醇二丁醚（DEDB，98%）、乙二醇二甲醚（DGME，98%）、浓硫酸（H₂SO₄ 98%）、氘代水（D₂O）、氘代二甲基亚砜（DMSO?d₆）也由该公司提供。

[AEPH][Im]系统中相分离调节剂类型和相分离调节剂/水质量比的筛选

选用的主要吸收剂是N-氨基乙基哌嗪（AEP）作为阳离子。AEP的三个官能团——一级胺、二级胺和三级胺——确保了高CO₂负载能力。此外，AEP作为一种环状胺，具有空间位阻效应，有助于吸收剂的再生。咪唑（Im）作为阴离子也被选为吸收剂。Im的三级胺结构也具有空间位阻效应[41]。因此，选择...

结论

本研究开发了一种新型的双功能离子液体吸收剂[AEPH][Im]/NPA/H₂O，并对其进行了系统评估，以实现高效的CO₂捕获。该系统实现了3.43 mol·L^?1的高CO₂负载能力和1.58 GJ·t^?1的低再生能耗。双环阳离子-阴离子结构设计平衡了高容量和低反应焓。反应焓的降低导致了再生能耗的减少。无需使用活化剂或N₂

CRediT作者贡献声明

李志毅：负责监督。穆旭佳：撰写原始稿件并进行实验研究。魏伟：负责监督和实验研究。刘志军：负责监督和资金获取。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。