徐海濤 徐玉韜

(南昌航空大學(xué)材料學(xué)院，江西 南昌 330063)

二氧化碳是當(dāng)前排放量最大的溫室氣體，由此導(dǎo)致的全球氣候變暖現(xiàn)象引起了人們的廣泛關(guān)注。另一方面，CO2作為一種無(wú)毒、安全的碳源，可以轉(zhuǎn)化成各種可再生能源和化工產(chǎn)品。CO2減排和資源綜合利用已經(jīng)成為本世紀(jì)研究的一個(gè)最重要課題[1，2]。

離子液體具有蒸汽壓低，熔點(diǎn)低，溶解力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)可調(diào)等一系列特點(diǎn)[3]。利用離子液體捕獲煙氣或燃?xì)庵械腃O2已經(jīng)成為溫室氣體減排的重點(diǎn)研究方向之一[4，5]。

本文采用兩步法制備了一種新型的氨基酸基離子液體，1-二乙二醇單甲醚基-3-甲基咪唑甘氨酸鹽。在常壓下，對(duì)所合成的離子液體進(jìn)行了CO2捕獲性能測(cè)試

一、實(shí)驗(yàn)部分

將甲基咪唑和氯代二乙二醇甲醚加入到裝有磁力攪拌器和冷凝回流管的干燥三口燒瓶中，室溫磁力攪拌2小時(shí)，停止反應(yīng)，用無(wú)水乙醚洗滌產(chǎn)物，進(jìn)一步真空干燥，除去殘留的無(wú)水乙醚，得到淡橙紅色、粘稠、液態(tài)的第一步中間產(chǎn)物。

合成條件中，采取鹵代烷烴過(guò)量，保證甲基咪唑完全反應(yīng)。獲得的粗產(chǎn)物中，包括第一步中間產(chǎn)物及剩余的鹵代烷烴。使用非極性無(wú)水乙醚萃取粗產(chǎn)物，除去剩余的鹵代烷烴，至乙醚相中紫外吸收檢測(cè)無(wú)信號(hào)為止，萃取6次以上可以達(dá)到上述效果。

將上一步中間產(chǎn)物用無(wú)水乙醇溶解，加入到裝有陰離子交換樹(shù)脂的層析柱中，室溫下離子交換，獲得堿性中間產(chǎn)物。以無(wú)水乙醇為流動(dòng)相交換樣品，交換速度為1滴/10秒，通過(guò)硝酸銀溶液檢測(cè)交換液中是否存在鹵素離子。若交換速度過(guò)快，交換液中含有鹵素離子，代表交換不完全，需要二次交換，交換速度過(guò)慢，溶劑無(wú)水乙醇會(huì)揮發(fā)，堿性中間產(chǎn)物在空氣中會(huì)結(jié)合CO2發(fā)生變質(zhì)。保證適當(dāng)?shù)慕粨Q速度是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。

將堿性中間產(chǎn)物減壓蒸餾，脫除部分無(wú)水乙醇，然后向堿性中間產(chǎn)物中加入甘氨酸，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，室溫?cái)嚢璺磻?yīng)，得粗產(chǎn)物。粗產(chǎn)物經(jīng)干燥除水、減壓蒸餾脫除無(wú)水乙醇，得最終產(chǎn)物。

CO2捕獲實(shí)驗(yàn)在一個(gè)大氣壓及不同的捕獲溫度下進(jìn)行。在25℃，隨著捕獲過(guò)程的進(jìn)行，樣品顏色發(fā)生變化，從橙紅變成黃色，同時(shí)粘度增加，這可能是由于捕獲的CO2與樣品發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

由于捕獲CO2，樣品的質(zhì)量逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定。樣品捕獲CO2的質(zhì)量與捕獲時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1所示。圖1表明，樣品捕獲CO2的過(guò)程是快速的，在40 min內(nèi)完成飽和捕獲，捕獲容量最高達(dá)到0.39 g CO2/g sample。

圖1 樣品捕獲CO2曲線圖

溫度對(duì)樣品捕獲CO2的過(guò)程有著強(qiáng)烈的影響。不同溫度下，樣品捕獲CO2的質(zhì)量與捕獲時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。圖2表明，隨著捕獲溫度的升高，捕獲容量逐漸降低，在70℃，捕獲容量降低到0.03 g CO2/g sample。溫度對(duì)樣品捕獲CO2過(guò)程的影響表明，高溫不利于樣品捕獲CO2，但高溫可能對(duì)樣品解吸CO2有利，在低溫捕獲的CO2，可以通過(guò)高溫解吸，從而使樣品再生。

圖2 樣品在不同溫度下捕獲/解吸CO2曲線圖(A：捕獲曲線；B：解吸曲線)

在低溫離子液體樣品捕獲的CO2，可以在高溫下解吸。不同溫度下，離子液體樣品解吸CO2的質(zhì)量與解吸時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。圖3表明，解吸溫度越高，CO2的解吸作用越完全，在110℃及更高溫度，可以完全解吸。但是，當(dāng)溫度過(guò)高，樣品會(huì)分解。綜合考慮，樣品的解吸溫度以70℃為宜。在70℃及一個(gè)大氣壓下，在35min內(nèi)，樣品的解吸率達(dá)到60%以上。

圖3 樣品在不同溫度下解吸CO2曲線圖

不同捕獲溫度下飽和捕獲CO2的樣品，在相同的高溫(70℃)下進(jìn)行解吸，解吸CO2的質(zhì)量與解吸時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2B所示。圖2B表明，在相同的高溫下，解吸率相同，與捕獲溫度無(wú)關(guān)。

捕獲和解吸是平衡過(guò)程，這種平衡過(guò)程僅決定于熱力學(xué)溫度，溫度的改變導(dǎo)致一個(gè)新的平衡。解吸過(guò)程決定于溫度的改變程度，溫度對(duì)解吸起著決定性作用。

二、結(jié)論

本文合成了一種新型的離子液體，這種離子液體具有優(yōu)良的CO2捕獲性能，是一種潛在的溫室氣體捕獲材料。

[1]Rochelle G T.Amine scrubbing for CO2capture[J].Science，2009，325(23)：1652-1654.

[2]WangCongming，Luo Huimin，Luo Xiaoyan.Equimolar CO2capture by imidazolium-based ionc liquids and superbase systems[J].Green.Chem，2010，12(2)：2019-2023.

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