高 明, 孫麗偉, 唐韶坤

氨基酸功能化離子液體聚合物用于高效CO2吸附

高 明, 孫麗偉, 唐韶坤

(天津大學(xué) 化工學(xué)院綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心, 天津 300350)

針對(duì)大氣中CO2排放量持續(xù)升高導(dǎo)致的環(huán)境問題，設(shè)計(jì)合成一種新型氨基酸功能化離子液體聚合物(PIL)用作CO2吸附劑。通過兩步法合成氨基酸功能化離子液體1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑精氨酸鹽([VBMI][Arg])，采用先聚合后功能化的方法合成氨基酸功能化離子液體聚合物聚[1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑精氨酸鹽](P([VBMI][Arg]))。結(jié)果表明合成的P([VBMI][Arg])呈不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，熱分解溫度為160 ℃。重點(diǎn)考察了吸附溫度與CO2體積流量對(duì)P([VBMI][Arg])的CO2吸附容量的影響，在25 ℃、CO2體積流量為10 mL×min-1時(shí)，每克P([VBMI][Arg])可吸附CO2118 mg，且P([VBMI][Arg])經(jīng)6次吸附-脫附循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，其吸附容量?jī)H下降10%。

離子液體聚合物；氨基酸；二氧化碳；吸附

1 前 言

隨著能源使用量的不斷增加，全球CO2排放量逐年升高，這無疑加劇了溫室效應(yīng)并導(dǎo)致一系列的環(huán)境問題，同時(shí)CO2是生產(chǎn)多種大宗化工產(chǎn)品的原料。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的高效捕集與分離，既有利于環(huán)境保護(hù)，又能夠促進(jìn)碳資源的循環(huán)利用。目前，最常見的CO2捕集方法是化學(xué)吸收法，該方法具有效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，但大部分化學(xué)吸收劑腐蝕性強(qiáng)，且再生能耗大[1]。物理吸收劑再生簡(jiǎn)單，但存在吸收劑對(duì)CO2選擇性差、部分溶劑毒性強(qiáng)的缺點(diǎn)[2]。吸附分離法因其能耗少、成本低、使用壽命長(zhǎng)以及在相對(duì)寬的溫度和壓力范圍內(nèi)的易用性，被認(rèn)為在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)[3]。分子篩、活性炭等傳統(tǒng)固體吸附劑雖然比表面積高、孔體積大，但其主要通過范德華力、靜電引力等弱物理相互作用實(shí)現(xiàn)CO2的吸附，使得吸附容量有限。因此，研究的關(guān)鍵在于開發(fā)具有高CO2吸附能力、良好熱穩(wěn)定性和循環(huán)使用性的新型固體吸附劑。

離子液體(ILs)是指在低溫(< 100℃)下呈液態(tài)的鹽，也稱低溫熔融鹽，一般由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子組成[4]。Blanchard等[5]最早發(fā)現(xiàn)CO2可大量溶解于離子液體，然而離子液體的高黏度性質(zhì)一定程度限制了其對(duì)CO2的吸收容量。離子液體聚合物(PILs)是由離子液體作為重復(fù)單元的包含至少一個(gè)離子中心的聚電解質(zhì)[6]，其固態(tài)性質(zhì)克服了離子液體黏度高、CO2吸收容量低的缺點(diǎn)。目前，功能基團(tuán)的引入以及微觀多孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是改善離子液體聚合物吸附性能的研究難點(diǎn)。Tang等[7]合成了聚[1-(4-乙烯基芐基)-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽](P([VBBI][BF4]))，并發(fā)現(xiàn)離子液體聚合物的CO2吸附性能優(yōu)于對(duì)應(yīng)單體。隨后，很多學(xué)者研究了離子液體聚合物的結(jié)構(gòu)特性對(duì)其CO2吸附性能的影響，如聚合物骨架[8]、陽離子種類[9]、陰離子種類[10]、烷基鏈長(zhǎng)度[11]、孔隙率和交聯(lián)度[12]等。此外，酯基[13]、酰胺基[11]、醚基[14]等各類功能基團(tuán)也逐漸被引入離子液體聚合物中以提高其CO2吸附性能。氨基酸具有原料來源廣泛、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，Shahrom等[15]以1-(4-乙烯基芐基)-3-三甲基銨([VBTMA]+)為陽離子，結(jié)合多種常見氨基酸陰離子制備氨基酸離子液體聚合物(AAPILs)并應(yīng)用于CO2吸附，發(fā)現(xiàn)含有多個(gè)氨基的精氨酸陰離子([Arg]-)型離子液體聚合物可大幅提升CO2吸附性能。迄今為止，離子液體聚合物捕集CO2的研究多集中于非功能化的材料，對(duì)于具有優(yōu)異CO2吸附性能的精氨酸陰離子的研究還僅限于季銨鹽型離子液體聚合物[15]，因此開發(fā)新型精氨酸功能化離子液體聚合物具有重要的研究意義。

與傳統(tǒng)固體吸附劑相比，離子液體聚合物兼具化學(xué)功能基團(tuán)與固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)，集物理吸附和化學(xué)吸附為一體，且離子液體聚合物具有優(yōu)良的化學(xué)結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)性、易再生、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)合成新型氨基酸功能化離子液體聚合物聚[1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑精氨酸鹽]，將其用于CO2吸附，并探究工藝條件對(duì)吸附性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

1-甲基咪唑(99%)、偶氮二異丁腈(AIBN，99%)、-精氨酸(>99%)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；4-乙烯基芐基氯(95%)購自上海邁瑞爾化學(xué)科技有限公司；硝酸銀(Ⅰ)(99.98%)購自北京華威銳科化工有限公司；無水乙醇、乙腈、乙醚、硝酸(HNO3)購自天津江天化工技術(shù)有限公司；所用試劑均為分析純。CO2(99.99%)購自天津市六方氣體有限公司；強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂201×7(OH)購自廊坊圣泉化工有限公司。

2.2 表征手段

儀器：美國瓦里安公司VARIAN INOVA 500型液體核磁共振譜儀(NMR)，使用氘代二甲基亞砜(DMSO-6)或氘代甲醇(methanol-4)為溶劑，四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)，25 ℃下測(cè)試；美國瓦里安公司Infinityplus 300型固體核磁共振譜儀(SS NMR)，測(cè)試溫度25 ℃；德國布魯克公司VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀(FT-IR)，采用KBr壓片法，測(cè)試范圍4 000~400 cm-1，掃描信號(hào)累加32次；日本日立公司S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)，儀器加速電壓0.1~30 kV；日本電子株式會(huì)社JEM-2100F型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)；荷蘭Panalytical公司X'Pert Pro型X射線衍射分析儀(XRD，帕納科銅靶)，掃描范圍10°~80°，掃描速率8°×min-1；德國耐馳公司TG209 F3 Tarsus型熱重分析儀(TGA)，N2氣氛，溫度范圍30~800 ℃，升溫速率為10 ℃×min-1；美國康塔儀器公司Autosorb-iQ2-MP型雙站全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀，100 ℃真空脫氣24 h進(jìn)行預(yù)處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑氯鹽([VBMI][Cl])的合成(圖1(a))：稱取摩爾比為1:1的1-甲基咪唑與4-乙烯基芐基氯于三口燒瓶中，加入乙腈作為溶劑，45 ℃下冷凝回流并連續(xù)攪拌反應(yīng)24 h。隨后使用過量乙醚多次萃取，除去未反應(yīng)的反應(yīng)物，將產(chǎn)物在80 ℃下真空干燥得到[VBMI][Cl]。1H NMR (500 MHz, DMSO-6)：9.88 (1H, s, N─CH═N)，8.05 (1H, s, N─CH═C─N)，7.89 (1H, s, N─C═CH─N)，7.51 (2H, d, Ph)，7.46 (2H, d, Ph)，6.69 (1H, m, ─CH═CH2)，5.83 (1H, d, ─CH═CH2)，5.57 (2H, s, ─CH2─)，5.23 (1H, d, ─CH═CH2)，3.88 (3H, s, ─CH3)；13C NMR (126 MHz, DMSO-6)：138.14 (s, N─CH═N)，137.45 (s, Ph)，136.57 (s, ─CH═CH2)，135.38 (s, Ph)，129.61 (s, Ph)，127.16 (s, Ph)，124.53 (s, N─CH═CH─N)，122.96 (s, N─CH═CH─N)，115.81 (s, ─CH═CH2)，51.85 (s, ─CH2─)，36.49 (s, ─CH3)。

(2) 1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑精氨酸鹽([VBMI][Arg])的合成(圖1(b)~(c))：[VBMI][Cl]水溶液緩慢流過裝有201×7(OH)型陰離子交換樹脂的層析柱，當(dāng)流出液經(jīng)pH試紙檢測(cè)呈堿性時(shí)開始收集，收集結(jié)束后使用硝酸銀溶液與稀HNO3驗(yàn)證離子液體中的Cl-完全轉(zhuǎn)變?yōu)镺H-。緊接著將含OH-的離子液體緩慢滴入精氨酸水溶液中，在室溫下磁力攪拌反應(yīng)48 h，實(shí)現(xiàn)OH-與Arg-的置換，產(chǎn)物通過凍干除水、去離子水純化、過濾、干燥得到[VBMI][Arg]。

(3) 聚[1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑氯鹽](P([VBMI][Cl]))的合成(圖1(d))：將[VBMI][Cl]溶于乙腈，以偶氮二異丁腈(AIBN，摩爾分?jǐn)?shù)=2%)作為引發(fā)劑，在磁力攪拌下80 ℃冷凝回流反應(yīng)48 h，隨后80 ℃真空干燥除去乙腈得到P([VBMI][Cl])。1H NMR (500 MHz, methanol-d4)：9.38 (1H, s, N─CH═N)，7.80~7.59 (2H, s, N─CH═CH─N)，7.45~7.21 (4H, s, Ph)，5.50 (2H, s, Ph─CH2─N)，3.99 (3H, s, ─CH3)，2.21 (1H, s, ─CH─)，1.94 (2H, s, ─CH─CH2─)。

(4) 聚[1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑精氨酸鹽](P([VBMI][Arg]))的合成(圖1(e)~(f))：將P([VBMI][Cl])溶于去離子水，后續(xù)操作與[VBMI][Arg]的合成步驟相同。

(5) CO2吸附實(shí)驗(yàn)：稱取約0.5 g[VBMI][Arg]或P([VBMI][Arg])裝入捕集U形管，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，純CO2氣體以一定體積流量流經(jīng)捕集裝置，在入口處由質(zhì)量流量控制器記錄累積流入量1(mL)，出口處由質(zhì)量流量計(jì)記錄累積流出量2(mL)。

圖1 氨基酸離子液體及其聚合物的合成路線

通過式(1)計(jì)算CO2捕集容量。

式中：為CO2的捕集容量，mg×g-1；為[VBMI][Arg]或P([VBMI][Arg])的質(zhì)量，g；1.977為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2的密度，mg×mL-1。

將飽和離子液體聚合物在100 ℃條件下加熱3 h以脫附CO2，然后將再生的離子液體聚合物用于下一個(gè)CO2吸附-脫附循環(huán)，重復(fù)若干次以研究離子液體聚合物的循環(huán)使用性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

2.3節(jié)中P([VBMI][Cl])的液體核磁結(jié)果顯示乙烯基碳碳雙鍵信號(hào)完全消失，表明[VBMI][Cl]完全聚合。圖2為離子液體聚合物P([VBMI][Cl])與P([VBMI][Arg])的13C SS NMR譜圖，結(jié)合文獻(xiàn)[16-18]標(biāo)明各個(gè)碳對(duì)應(yīng)的位置。與P([VBMI][Cl])相比，P([VBMI][Arg])的13C SS NMR譜圖在=179.76出現(xiàn)的新峰為精氨酸陰離子中─COO-的信號(hào)，在=40.96處出現(xiàn)的新峰為精氨酸陰離子中與─NH─相連的─CH2─的信號(hào)。以上分析表明離子液體聚合物中成功引入了Arg-。

圖2 離子液體聚合物的13C SS NMR譜圖

(A) P([VBMI][Arg]) (B) P([VBMI][Cl])

圖3(a)為[VBMI][Cl]的紅外光譜圖，其中2 927、2 845、1 454和1 360 cm-1為─CH2─和─CH3的特征峰[19]；1 636 cm-1為乙烯基與咪唑環(huán)中C═C的不飽和彎曲振動(dòng)峰[20]；1 609和1 511 cm-1為苯環(huán)骨架振動(dòng)峰[21]；1 563 cm-1為咪唑環(huán)中C═N的伸縮振動(dòng)峰[22]。P([VBMI][Cl])(圖3(b))的紅外光譜圖與[VBMI][Cl]相比無明顯變化，因?yàn)殡m然乙烯基碳碳雙鍵在聚合反應(yīng)后消失，但咪唑環(huán)中C═C的存在使得1 677 cm-1處的振動(dòng)峰仍然出現(xiàn)。圖3(c)、3(d)分別為[VBMI][Arg]與P([VBMI][Arg])的紅外光譜圖，其中，1 670和1 380 cm-1分別為精氨酸陰離子中COO-的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1 595 cm-1處為與咪唑環(huán)、苯環(huán)特征峰重合的─NH2中N─H的彎曲振動(dòng)峰[23]。

圖3 離子液體與離子液體聚合物的紅外光譜圖

(a) [VBMI][Cl], (b) P([VBMI][Cl]), (c) [VBMI][Arg], (d) P([VBMI][Arg])

3.2 微觀形貌分析

圖4為[VBMI][Arg]與P([VBMI][Arg])的電鏡圖。從SEM圖像中可以看出，[VBMI][Arg](圖4(a))和P([VBMI][Arg])(圖4(b))分別呈現(xiàn)粒徑為50~60和20~30 μm的不規(guī)則塊狀。根據(jù)TEM圖像，[VBMI][Arg](圖4(c))呈致密塊狀，而P([VBMI][Arg])(圖4(d))的結(jié)構(gòu)更疏松，這是由于聚合物鏈間隙的存在。當(dāng)離子液體聚合后，比表面積從0.1增加到6 m2×g-1，但其N2吸附-脫附曲線與孔徑分布圖基本呈水平線，說明并不具備豐富的孔結(jié)構(gòu)。

圖4 [VBMI][Arg]和P([VBMI][Arg])的SEM圖與TEM圖

采用X射線衍射儀測(cè)量離子液體及其聚合物的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖5所示。所有樣品均在220°附近出現(xiàn)寬衍射峰，表明[VBMI][Arg]和P([VBMI][Arg])均為無定形態(tài)。聚合物鏈段活性對(duì)氣體分子在聚合物中的擴(kuò)散速率具有重要影響，無定形物質(zhì)具有較高的自由體積和較強(qiáng)的鏈段活性，有利于CO2氣體的擴(kuò)散，因此P([VBMI][Arg])的無定型結(jié)構(gòu)有利于其對(duì)CO2的吸附[24]。

圖5 [VBMI][Arg]與P([VBMI][Arg])的XRD圖

圖6 [VBMI][Arg]和P([VBMI][Arg])的TGA圖

3.3 熱穩(wěn)定性分析

離子液體與離子液體聚合物的TGA曲線如圖6所示，所有樣品均含有3個(gè)失重區(qū)間([VBMI][Arg] 50~150、150~345、345~750 ℃；P([VBMI][Arg]) 60~160、160~415、415~730 ℃)。其中，第1階段的重量損失歸因于氣體分子和吸附水的脫除；第2階段是由[VBMI][Arg]和P([VBMI][Arg])結(jié)構(gòu)中咪唑環(huán)以及P([VBMI][Arg])的聚合物主鏈的分解引起；第3階段是由[VBMI][Arg]和P([VBMI][Arg])結(jié)構(gòu)中苯環(huán)和氨基酸陰離子的分解造成。500 ℃以后[VBMI][Arg]的剩余質(zhì)量百分比高于P([VBMI][Arg])，是由于離子液體單體的離子鍵強(qiáng)度高于離子液體聚合物，導(dǎo)致離子液體單體未熱解質(zhì)量含量較高。[VBMI][Arg]和P([VBMI][Arg])的分解溫度分別為150和160 ℃，聚合物主鏈的形成使得離子液體聚合物的熱穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，其熱穩(wěn)定性足以承受通常的CO2吸附溫度條件，因此所制備的離子液體聚合物可用于吸附CO2。

3.4 離子液體聚合物的CO2吸附性能

0.1 MPa、25 ℃以及CO2體積流量為30 mL×min-1的條件下，測(cè)定[VBMI][Arg]與P([VBMI][Arg])的CO2捕集性能，結(jié)果見圖7。所有樣品均具有較快的CO2吸附速率，能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，且每克P([VBMI][Arg])吸附CO2117 mg，高于[VBMI][Arg](89 mg×g-1)。由圖4可知，P([VBMI][Arg])較[VBMI][Arg]呈現(xiàn)更疏松的微觀結(jié)構(gòu)，比表面積更高，可使更多的氨基暴露在CO2中，且離子液體聚合物具有更高的自由體積和更強(qiáng)的分子間相互作用力，可進(jìn)一步提高其對(duì)CO2的物理吸附作用[25]。而離子液體單體中主要為游離基團(tuán)，不利于對(duì)CO2的吸附[26]。因此，P([VBMI][Arg])的CO2吸附容量明顯高于對(duì)應(yīng)單體。

圖7 [VBMI][Arg]與P([VBMI][Arg])的CO2吸附量隨時(shí)間的變化

圖8 P([VBMI][Arg])在不同溫度下CO2吸附量隨時(shí)間的變化

固定CO2體積流量為30 mL×min-1、壓力為0.1 MPa，考察不同的溫度條件下P([VBMI][Arg])的CO2吸附性能。結(jié)果如圖8所示，在25 ℃獲得最大CO2吸附容量117 mg×g-1。隨著溫度升高，CO2吸附容量逐漸降低，在40和50 ℃時(shí)分別為104和80 mg×g-1。當(dāng)溫度升至60 ℃時(shí)，CO2的吸附容量持續(xù)降低至40 mg×g-1。可見低溫有利于離子液體聚合物對(duì)CO2的吸附，主要原因是溫度升高時(shí)，吸附平衡向脫附方向移動(dòng)[15]。

作者前期工作發(fā)現(xiàn)CO2體積流量極大地影響離子液體與離子液體聚合物對(duì)CO2的吸附性能[14,27]。因此，在0.1 MPa、25 ℃下考察CO2體積流量(10、30、50和70 mL×min-1)對(duì)P([VBMI][Arg])的吸附性能的影響。結(jié)果如圖9所示，隨著CO2流量的減少，CO2與P([VBMI][Arg])的接觸時(shí)間增加，導(dǎo)致平衡吸附量略有增加。表明CO2體積流量對(duì)離子液體聚合物平衡吸附量影響較小，主要是因?yàn)镻([VBMI][Arg])在較短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡。當(dāng)CO2體積流量為10 mL×min-1時(shí)，每克P([VBMI][Arg])可吸附CO2118 mg。但是從插圖可以看出，在0~120 min時(shí)內(nèi)，隨著CO2體積流量的降低，達(dá)到吸附平衡所需時(shí)間變長(zhǎng)。

圖9 P([VBMI][Arg])在不同CO2體積流量下CO2吸附量隨時(shí)間的變化

圖10 P([VBMI][Arg])不同循環(huán)吸附次數(shù)后的CO2吸附容量

在0.1 MPa、25 ℃以及CO2體積流量為10 mL×min-1的條件下研究了P([VBMI][Arg])對(duì)CO2的循環(huán)吸附性能。結(jié)果如圖10所示，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CO2的平衡吸附容量略有減少，經(jīng)6次吸附-脫附循環(huán)后，每克P([VBMI][Arg])的CO2吸附容量從118降低到107 mg (僅降低10%)，表明P([VBMI][Arg])具有良好的可循環(huán)使用性。圖11為新鮮和經(jīng)6次吸附-脫附循環(huán)后的P([VBMI][Arg])的紅外光譜圖，從圖中可知P([VBMI][Arg])經(jīng)6次吸附-脫附循環(huán)后化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，圖11(b)曲線中在1627 cm-1處出現(xiàn)的微弱的新峰為精氨酸陰離子中氨基化學(xué)吸附CO2生成的氨基甲酸酯的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰[28]，說明再生后P([VBMI][Arg])的CO2吸附容量的下降歸因于CO2的不完全脫附。此外，經(jīng)6次吸附-脫附循環(huán)后P([VBMI][Arg])的TEM圖具有與圖4(d)中新鮮吸附劑相似的疏松結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證明其循環(huán)穩(wěn)定性。

圖11 新鮮和經(jīng)6次吸附-脫附循環(huán)后的P([VBMI][Arg])的紅外光譜圖

圖12 P([VBIM][Arg])吸附CO2前與吸附CO2后的13C SS NMR譜圖

氨基酸功能化離子液體聚合物對(duì)CO2的吸附是化學(xué)吸附與物理吸附共同作用的結(jié)果。一方面，氨基酸功能化離子液體聚合物結(jié)構(gòu)中的自由體積及其和CO2之間的分子間作用力產(chǎn)生物理吸附作用。另一方面，氨基酸功能化離子液體聚合物中的氨基可以與CO2反應(yīng)形成氨基甲酸酯，實(shí)現(xiàn)化學(xué)吸附。圖12顯示吸附CO2前后的P([VBMI][Arg])的13C SS NMR譜圖，發(fā)現(xiàn)P([VBMI][Arg])吸附CO2后在=165.11處有一個(gè)新峰，這是氨基甲酸酯羰基碳的信號(hào)[29]，證實(shí)了化學(xué)吸附的發(fā)生。

將P([VBIM][Arg])與文獻(xiàn)報(bào)道的其他常見吸附劑、以及AAPILs的CO2吸附性能列于表1。由表可以看出，本文合成的P([VBMI][Arg])的CO2吸附性能明顯優(yōu)于MCM-41、SBA-15分子篩以及ZIF-68、ZIF-69金屬有機(jī)框架材料。與其他AAPILs相比，由于存在多個(gè)氨基功能基團(tuán)，P([VBMI][Arg])的CO2吸附性能優(yōu)于大多數(shù)AAPILs，僅文獻(xiàn)[15]報(bào)道的P([VBTMA][Arg])對(duì)CO2的平衡吸附容量高于本文的P([VBMI][Arg])，緣于季銨鹽陽離子相比于咪唑鹽陽離子更高的陽離子密度可與CO2產(chǎn)生更強(qiáng)的相互作用[3]，但也正因如此，P([VBTMA][Arg])難以實(shí)現(xiàn)與CO2的完全脫附，相比于本文合成的P([VBMI][Arg])，其循環(huán)使用性能較差。

表1 本文所合成吸附劑與文獻(xiàn)中所用吸附劑的CO2吸附性能比較

4 結(jié) 論

本研究將精氨酸功能基團(tuán)引入咪唑鹽型離子液體聚合物中，合成新型離子液體聚合物聚[1-對(duì)乙烯基芐基-3-甲基咪唑精氨酸鹽]。研究表明，合成的離子液體聚合物為無定型態(tài)，熱穩(wěn)定性與循環(huán)使用性能良好，CO2吸附容量高達(dá)118 mg×g-1，明顯高于普通離子液體聚合物，且較其他類型的離子液體聚合物結(jié)構(gòu)剛性更強(qiáng)，克服了離子液體聚合物鏈段柔性大的缺點(diǎn)，為后續(xù)制備多孔離子液體聚合物以進(jìn)一步提升CO2吸附性能奠定了基礎(chǔ)。

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Preparation of an amino acid-functionalized polymeric ionic liquid for efficient CO2adsorption

GAO Ming, SUN Li-wei, TANG Shao-kun

(Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education, School of Chemical Engineering & Technology, Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin),Tianjin University, Tianjin 300350, China)

A new amino acid-functionalized polymeric ionic liquid (PIL) was synthesized for CO2adsorption to help the reduction of CO2emission. The amino acid-functionalized ionic liquid 1-(p-vinylbenzyl)-3- methylimidazolium arginine ([VBMI][Arg]) was first synthesized by a two-step method, and then the amino acid-functionalized polymeric ionic liquid poly[1-(p-vinylbenzyl)-3-methylimidazolium arginine] (P([VBMI][Arg])) was synthesized via polymerization followed by functionalization. The results show that the as-synthesized P([VBMI][Arg]) is irregular block, and its thermal decomposition temperature is 160 ℃. The effects of temperature and CO2flow rate on adsorption capacity of P([VBMI][Arg]) were mainly investigated. One gram of P([VBMI][Arg]) can adsorb CO2118 mg at 25 ℃ with 10 mL×min-1CO2flow rate. In addition, the performance only decreased by 10% after six cycles of adsorption-desorption.

polymeric ionic liquid; amino acid; carbon dioxide; adsorption

O632.6

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2021.01.019

1003-9015(2021)01-0164-08

2020-03-30；

2020-05-24。

高明(1994-)，女，遼寧遼陽人，天津大學(xué)碩士生。

唐韶坤，E-mail：shktang@tju.edu.cn