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摘 要

开发低能耗CO₂捕集技术是当前解决温室效应的重要途径。离子液体因其独具的特点被认为是最具潜力的捕集CO₂新材料，尽管实验室研究进展迅速，但要实现其真正的工业化，还面临两大挑战：一是离子液体的高粘度使得CO₂传质速率很低，二是离子液体价格高昂。前期研究及文献调研表明，将离子液体固定化到有机高分子材料或无机多孔材料上，有利于扩大界面积、缩短扩散路径，将高粘度的影响减弱，从而促进传质、提高其吸收和解吸CO₂速率。尽管如此，离子液体固定化吸收/解吸CO₂的工作主要是以提高吸收容量的实验为主，缺乏理论特别是动力学研究，传质机制尚不清楚。

本文通过将[Hmim][NTf₂]和[BMIm]Ac两种离子液体负载在氧化钛表面，制备负载离子液体，通过BET表征手段，考察负载离子液体的制备情况及孔道结构；通过热重分析方法，考察负载离子液体对于CO₂的吸收和解析性能，并建立模型，通过基于非平衡热力学的动力学理论，对吸收过程进行动力学分析。除了定量分析担载之后离子液体吸收CO₂的容量和速率发生的变化外，还用修正了的G-T方程对担载之后离子液体吸收CO₂的容量变化进行关联。本文的研究，有利于下一步揭示离子液体固定化吸收/解吸CO₂的传质机制，并指导离子液体的进一步应用。

关键词：负载 离子液体 二氧化碳 吸收

The Research of kinetics and mechanism supported ionic liquid CO₂ capture process

Abstract

Developing energy-saving CO₂ capture technology is an important way to solve the current greenhouse effect. Because of the unique characteristics of ionic liquids, it is considered to be the most promising CO₂ capture new materials, although laboratory research progress rapidly, but to achieve its true industrialization, it also faces two major challenges: first, high-viscosity ionic liquid makes CO₂ mass transfer rate very low, the second is the high cost of ionic liquids. Previous studies and literature review showed that the ionic liquid immobilized onto an organic polymer material or inorganic porous material can expand border area, shorten the diffusion path and weaken the impact of high viscosity, thereby promoting mass transfer, improving its absorption and desorption rate of CO₂. Nevertheless, the immobilized ionic liquid absorption / desorption work mainly improve the CO₂ absorption capacity of the experiment, the lack of theory in particular kinetics and mass transfer mechanism is unclear.

By the [Hmim][NTf₂] and [BMIm]Ac ionic liquids supported titanium surface, the preparation of supported ionic liquids, characterized by means of BET, preparation conditions and pore structure study load of ionic liquids; by thermal gravimetric analysis , study load of ionic liquids for CO₂ absorption and resolve performance and establish model-based kinetic theory of non-equilibrium thermodynamics and kinetic analysis of the absorption process. In addition to the quantitative analysis the change of CO₂ absorption capacity and rate after carrying ionic liquid, but also with the corrected GT equation, absorption capacity after carrying ionic liquid were associated with changes in CO₂. This study will help reveal the next step immobilized ionic liquid mass transfer mechanism of absorption / desorption of CO₂ and guide further application of ionic liquids.

Keywords: Supported Ionic liquid Carbon dioxide Absorption

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 综述 1

1.1 课题背景 1

1.1.1二氧化碳捕集与封存 1

1.1.2 乙醇胺（MEA）水溶液吸收二氧化碳 1

1.2离子液体捕集二氧化碳简介 2

1.2.1 离子液体简介 2

1.2.2 离子液体吸收二氧化碳 2

1.2.2.1 常规离子液体吸收二氧化碳 3

1.2.2.2功能离子液体吸收二氧化碳 3

1.3 负载离子液体吸收二氧化碳 4

1.4 本文的研究思路及工作 5

第二章 实验部分 6

2.1 负载离子液体的制备 6

2.1.1 实验试剂 6

2.1.2负载吸收剂的制备 6

2.2负载离子液体吸收剂的表征与测试 7

2.2.1 BET表征测试负载离子液体吸收剂结构 7

2.2.2 热重法测试负载离子液体吸收剂吸收CO₂性能 8

第三章 结果与讨论 9

3.1 模型与理论 9

3.1.1 线性非平衡热力学 9

3.1.1.1 通量 9

3.1.1.2 速率常数 9

3.1.2 G-T方程 10

3.2 P25-[Hmim][NTf₂]吸收CO₂性能 11

3.2.1 定性分析 12

3.2.2 定量分析 13

3.2.3 G-T方程拟合 13

3.3 P25-[BMIm]Ac吸收CO₂性能 14

3.3.1 定性分析 14

3.3.2 定量分析 15

3.3.3 G-T方程拟合 15

第四章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参 考 文 献 18

致 谢 20

第一章 综述

1.1 课题背景

1.1.1二氧化碳捕集与封存

化石能源的利用造成了大量的CO₂排放，据统计，1965～2011年全球CO₂年排放量从117×10⁸ t增长到340×10⁸ t，46年间增长了近2倍，年均增长率2.35 %，累计排放达1×10¹² t以上。近年来，虽然非化石能源的开发利用取得了长足进步，但直至2011年，全球石油、天然气、煤炭仍占到一次能源消费量的87 %，核电、水电、可再生能源仅占13 %。预计到2030年，化石能源占一次能源的比重仍将保持在70 %以上，届时全球CO₂年排放量将达到427×10⁸ t，按此计算，2011～2030年的年均增长率为1.2 %。如此大规模的CO₂排放，成为影响全球气候变化的重要因素。因此，世界各国在从源头上减少碳排放的同时，也在积极开发CO₂捕集技术，一方面CO₂作为资源进一步利用，另一方面将捕集的CO₂回埋到地下，以减少温室气体对气候变的影响。截至目前，世界各国开发或正在开发的CO₂捕集工艺非常多，各类文献报道浩如烟海，但能够投入工业应用的还十分有限^[1]。

目前，从混合气体中分离捕集CO₂的技术主要包括: 吸附、吸收、低温冷凝及膜分离^[2,3]。在这些捕集技术中，化学吸收应用最为广泛，化学吸收剂主要采用醇胺类水溶液，有机胺化学吸收法是最有效而且较为经济的一种处理方法^[4-6]。单乙醇胺( MEA) 溶液吸收CO₂具有吸收速度快、负载大等优点，MEA 溶液吸收CO₂是未来我国排放源中捕集CO₂最具有可行性的技术之一^[7]。

1.1.2 乙醇胺（MEA）水溶液吸收二氧化碳

乙醇胺水溶液吸收二氧化碳的吸收原理是弱酸和弱碱反应生成可溶性盐。MEA与CO₂反应生成碳酸盐，对CO₂是很有效的吸收剂，该生成物可通过适当的加热分解，使MEA溶液得以再生使用。

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