AFILs碳捕CO2及其機(jī)理的研究

陳 瑩，賀佑盟，馬 穎，齊 巖

（湘潭大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

近年來(lái)，化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）是全球氣候變暖的主要原因之一[1]。碳捕集和儲(chǔ)存是一項(xiàng)減少CO2排放到大氣的有效技術(shù)[2-3]。離子液體（ionic liquids，ILs）是一種環(huán)保型的綠色溶劑，具有較高的熱穩(wěn)定性，低蒸汽壓、可設(shè)計(jì)性，被認(rèn)為是極具前途的新型CO2吸收劑[4]。依據(jù)ILs的可設(shè)計(jì)性，在ILs的陽(yáng)離子或陰離子上添加特定官能團(tuán)形成功能化離子液體[5]，如引入氨基（-NH2），可形成氨基功能化離子液體（aminofunctionalized ionic liquids，AFILs）。AFILs因其生物相容性、較高的CO2捕集量等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前碳捕集研究的熱點(diǎn)之一[6-9]。本文綜述近年來(lái)AFILs捕集CO2的研究現(xiàn)狀，總結(jié)AFILs及其水溶液捕集CO2的機(jī)理，并探討溫度、壓力、黏度和含水量對(duì)CO2捕集量的影響。

1 AFILs捕集CO2的研究進(jìn)展

1.1 純AFILs捕集CO2

近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)陽(yáng)離子上引入-NH2或陰離子采用氨基酸的AFILs的CO2捕集能力進(jìn)行研究，已取得一些研究成果。

Bates等[5]首次合成陽(yáng)離子上具有-NH2的功能化離子液體[NH2p-bim][BF4]，發(fā)現(xiàn)在常溫常壓下其對(duì)CO2捕集量接近理論值0.5 mol，相對(duì)于常規(guī)型ILs有很大提高。張慧等[10]合成陽(yáng)離子上含-NH2的ILs([NH2e-bim]Br)，發(fā)現(xiàn)在0.1 MPa、20 ℃時(shí)，純ILs對(duì)CO2捕集量達(dá)到最大。Narmin等[6]合成8種以1-丁基-4-甲基吡啶([B4mpyr]+)為陽(yáng)離子，氨基酸為陰離子的ILs，發(fā)現(xiàn)在0.6 MPa、298.15 K時(shí)，[B4mpyr][Arg]的CO2捕集量達(dá)到0.613 mol，并提出含-NH2越多，對(duì)CO2捕集能力越大。

Zhang等[11]制備20種陰陽(yáng)離子上都含有-NH2的雙氨基官能化離子液體，研究發(fā)現(xiàn)（3-氨基丙基）三丁基氨基酸鹽[aP4443][AA]離子液體本身黏度較大，捕集CO2后體系黏度增加近3倍，導(dǎo)致CO2實(shí)際捕集量較低。Xue等[12]研究了雙氨基離子液體[aemmim][Tau]對(duì)CO2的捕集性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1 MPa、30 ℃下[aemmim][Tau]對(duì)CO2的捕集能力達(dá)0.9 mol。此外，Jing等[7]合成了幾種不同類型的多氨基功能化ILs，發(fā)現(xiàn)[TETAH][Lys]和[DETAH][Lys]的CO2捕集量最大可達(dá)2.59 mol。

相較于常規(guī)型ILs，AFILs對(duì)CO2的捕集性能顯著提高，且-NH2官能團(tuán)越多，對(duì)CO2的捕集量越大。但AFILs通常具有較高的黏度[11,13]，吸收CO2后黏度急劇增大[14]，導(dǎo)致AFILs對(duì)CO2的捕集量無(wú)法達(dá)到理論值。

1.2 AFILs水溶液捕集CO2

針對(duì)AFILs黏度較高的問(wèn)題，研究者們提出將ILs與水混合，形成離子液體水溶液(IL-H2O)，采用IL-H2O捕集CO2，是一種在實(shí)際應(yīng)用中很有前景的方法[10,13]。

周作明等[15]發(fā)現(xiàn)[N1111][Gly]水溶液中含水量增加時(shí)，對(duì)CO2的捕集量增大到0.721 mol，超過(guò)了純[N1111][Gly]捕集CO2的理論值(0.5 mol)。Zhao等[16]研究了25 ℃下[C2mim][Gly]對(duì)CO2的捕集量，發(fā)現(xiàn)其水溶液對(duì)CO2的捕集量高達(dá)0.91 mol，是純ILs的兩倍左右。張慧[10]發(fā)現(xiàn)純ILs對(duì)CO2的捕集量為0.2～0.3 mol，而IL-H2O對(duì)CO2的捕集量為0.4～0.5 mol。Wang等[17]研究[aP4443][AA]水溶液對(duì)CO2的捕集能力，發(fā)現(xiàn)在25℃時(shí)，向ILs中加入等摩爾的水后，離子液體的黏度降低了46%，CO2的溶解度提高至0.88 mol，比純ILs提高了近一倍。

從AFILs水溶液吸收CO2的研究來(lái)看，ILs與水復(fù)配后不但可以極大降低ILs的黏度[13]、有效降低成本，而且提高ILs對(duì)CO2的捕集能力[8-10]。

2 AFILs捕集CO2機(jī)理

2.1 純AFILs捕集CO2機(jī)理

目前，文獻(xiàn)中關(guān)于純AFILs捕集CO2的機(jī)理，大多借鑒有機(jī)胺與CO2的反應(yīng)機(jī)理來(lái)描述[7]。大部分研究都認(rèn)為每摩爾-NH2捕集0.5 mol的CO2，但對(duì)捕集CO2的反應(yīng)機(jī)理有不同見(jiàn)解。Single-step機(jī)理認(rèn)為，胺類捕集CO2是1 mol的CO2與2 mol的-NH2反應(yīng)，生成氨基甲酸酯，如下：

Zwittertion機(jī)理則認(rèn)為胺類與CO2反應(yīng)分兩步進(jìn)行，1 mol的CO2先與1 mol的ILs上的-NH2基團(tuán)反應(yīng)生成RNH2+COO-，然后1 mol的RNH2+COO-再與1 mol的ILs反應(yīng)生成氨基甲酸酯。反應(yīng)式如下：

2.2 AFILs水溶液捕集CO2機(jī)理

AFILs水溶液捕集CO2的反應(yīng)機(jī)理與純AFILs捕集CO2的并不相同。

周作明等[15]利用核磁共振碳譜技術(shù)研究了[N1111][Gly]水溶液捕集CO2的反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)陰離子上的-NH2先與CO2反應(yīng)生成氨基甲酸酯，隨著ILs減少，CO2水合反應(yīng)增強(qiáng)，氨基甲酸酯水解成氨基酸和HCO3-，吸收飽和時(shí)CO2的存在形態(tài)為大量的HCO3-和少量氨基甲酸酯。孫鋮[8]和Xue等[12]研究AFILs水溶液捕集CO2的機(jī)理時(shí)也得出相似的結(jié)論。

3 AFILs吸收CO2的影響因素

雖然AFILs有CO2捕集量較大，解吸能耗低的優(yōu)勢(shì)，但是AFILs對(duì)CO2的捕集量受到溫度、黏度、壓力和含水量等因素的影響。

3.1 溫度

AFILs對(duì)CO2的捕集量隨著溫度升高而降低[10]。杜一萌等[18]探究在一定壓力和濃度，不同溫度下[C2NH2MIm][Ala]氨基酸離子液體水溶液對(duì)CO2的捕集能力，發(fā)現(xiàn)CO2捕集量隨反應(yīng)溫度升高而下降。孫麗偉等[19]在研究[C3O1mim][Gly]對(duì)CO2的捕集性能時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)CO2捕集量隨著溫度升高而降低。

3.2 黏度

AFILs捕集CO2時(shí)，隨CO2捕集量增加，體系的黏度會(huì)增大[13]，CO2實(shí)際捕集量會(huì)降低[11]。Li等[14]通過(guò)核磁共振碳譜技術(shù)研究[C2OHmim][Lys]對(duì)CO2的捕集性能，提出純ILs對(duì)CO2的理論捕集量為2 mol，由于純ILs捕集CO2后黏度增加，反應(yīng)產(chǎn)物固化，故純ILs對(duì)CO2的實(shí)際捕集量?jī)H為1.684 mol。Zhang等[11]將[aP4443][AA]固定在多孔SiO2材料上后，不僅解決了AFILs捕集CO2過(guò)程中黏度增大的問(wèn)題，而且負(fù)載后的ILs比純ILs對(duì)CO2具有更高的捕集能力。Wang等[17]將水加入ILs中，發(fā)現(xiàn)水能降低體系黏度，增大CO2捕集量。

3.3 壓力

研究發(fā)現(xiàn)隨著壓力增大，ILs對(duì)CO2的捕集量也隨之增大[9]。Noorani等[6]研究1-丁基-4-甲基吡啶氨基酸ILs，發(fā)現(xiàn)ILs對(duì)CO2的捕集量隨著壓力的增加而增加，且CO2捕集量在低壓區(qū)急劇增加，而在高壓區(qū)略有上升，這是由于低壓下化學(xué)作用占主導(dǎo)地位，高壓下物理作用占主導(dǎo)地位。

3.4 含水量

IL-H2O捕集CO2時(shí)，含水量不同，對(duì)CO2的捕集性能也會(huì)不同，因此存在一個(gè)最佳配比來(lái)調(diào)控ILs對(duì)CO2的捕集量[18]。王贊霞等[13]研究了含水量對(duì)[aP4443][Gly]捕集CO2容量的影響，發(fā)現(xiàn)水的加入顯著降低了ILs的黏度，當(dāng)xwater≤0.5時(shí)，隨著含水量增加，CO2飽和時(shí)的捕集量增大，IL-H2O最大捕集量可達(dá)到0.88 mol，當(dāng)xwater＞0.5時(shí)，隨著含水量增加，ILs的CO2捕集量有所降低。夏裴文[9]在研究[APMim][Gly]的CO2捕集性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)在1 MPa、30 ℃下，4種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ILs水溶液均能增大ILs的CO2捕集能力，且含水量為80%時(shí)，ILs-H2O對(duì)CO2的捕集量可達(dá)1.32 mol。

4 結(jié)論與展望

AFILs是一類環(huán)境友好型的新型CO2吸收劑，能夠綠色高效捕集CO2，有助于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的雙碳目標(biāo)。本文綜述了近年來(lái)AFILs捕集CO2的研究，并總結(jié)了AFILs及其水溶液捕集CO2的反應(yīng)機(jī)理，探討影響CO2捕集量的因素。研究表明AFILs中CO2捕集量較高，但AFILs本身黏度較大，限制其工業(yè)應(yīng)用。水的加入可有效降低體系黏度，且適當(dāng)?shù)暮亢蜏貕嚎刂颇軌蚴笰FILs捕集更多的CO2。目前AFILs還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用還有許多工作要做：（1）充分發(fā)揮ILs的可設(shè)計(jì)型特點(diǎn)，增加-NH2基團(tuán)數(shù)量，提高CO2捕集能力；引入其它基團(tuán)，降低AFILs的黏度。（2）AFILs的黏度較高，可通過(guò)加入水或有機(jī)溶劑，或?qū)FILs負(fù)載到硅膠等載體上降低體系黏度，增大CO2捕集量。（3）建立熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型評(píng)估AFILs及其水溶液捕集CO2后的解吸能耗，從而分析其工業(yè)應(yīng)用潛力。