福建省建筑科学研究院,福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025
摘要：温室气体是引起全球气候变化的主要原因之一，二氧化碳（CO2）作为最重要的温室气体，其控制与减排成为全球关注的热点话题。基于当前全球能源结构仍然以化石燃料为主的现状，从CO2集中排放源，如燃煤发电厂等，分离回收CO2是碳减排最直接有效的方式。新型吸收剂的研发，是进一步推广碳捕集技术的关键。而离子液体（Ionic liquids，ILs）因其性质稳定、结构可设计等特点，被认为是一种新型的绿色溶剂，引起越来越多研究者的兴趣。
关键词：二氧化碳，离子液体
1 CO2控制技术概述
CO2是环境中普遍存在的物质。由于人类发展，大量的CO2 随着工业废气，汽车尾气，农业废气等形式进入大气层。然而，大气层中CO2富集被认为是造成全球温室效应的主要原因之一。而温室效应将给人类带来了一系列有害影响，包括经济损害，环境退化，及人类健康问题等。温室效应的主要危害有海平面上升，生物多样性减少，热带疾病扩散。科学研究表明，全球因化石类燃料产生的CO2排放量就达到185-242亿吨／年。美国能源部碳封存项目研究表明，CO2在大气中浓度的控制是缓解温室效应的主要手段。因此，CO2的控制技术引起了广泛关注。
废气中的CO2分离与吸收是主要的CO2控制手段之一。吸收法、吸附法、膜分离法及生物法等是目前运用较广的CO2分离手段。由于工业废气温度较高、烟气量大，吸附法、膜分离法及生物法较难满足吸收要求。因此，吸收法成为了主要的CO2控制手段之一。其中，化学吸收法主要通过吸收剂与CO2间的化学反应，将CO2转化为其他物质储存于吸收液中。相比于物理吸收法，化学吸收法吸收CO2的速率较高，吸收负荷较大。在各种化学吸收法中，吸收剂的选用是吸收法有效的保证。因此，吸收剂的发展与研究成为了重中之重。
2有机胺吸收法
有机胺吸收剂具有较强碱性，可快速吸收CO2，且具有原料廉价易得，操作简便等一系列优势。有机胺吸收剂在化学吸收法中发展较早，理论基础较成熟。因此，有机胺吸收法广泛运用于火电厂等地。目前，用于CO2吸收的主要有机胺吸收剂有一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、 N-甲基二乙醇胺(MDEA)，以及混合胺体系等。其中，MEA及DEA的CO2吸收性能较好，但再生能耗大，运行成本高，且MEA在高温吸收条件下易挥发，造成设备腐蚀及吸收剂有效成分损失，提高了运行成本。因此，发展可取代有机胺吸收剂的新型吸收剂引起了学者们的关注。
3 传统离子液体
离子液体（ionic liquid）是一类由阴阳离子组成，在常温常压条件下呈液态的有机盐。离子液体常见的阴阳离子结构如图1.1所示。根据其阳离子形态的不同，可分为咪唑盐型、吡啶盐型、季铵盐型、季酸盐型等。因其蒸汽压低，在高温下不易分解氧化、性质稳定。同时，某些特定的离子液体还具有强CO2吸收选择性，因此被认为是一种新型的绿色溶剂，可用于CO2。
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图1.1 常见离子液体阴阳离子结构
Fig. 1.1 Common cations and anions in ionic liquids
在各类型离子液体中，咪唑型离子液体具有较强的碱性，所以具有较好的CO2溶解度。然而，大部分传统离子液体仅通过物理吸收过程吸收CO2，存在吸收速率低及吸收负荷较小等问题。例如，在常温常压条件下，通过物理吸收，离子液体[bmim][FP4]的CO2吸收速率仅为0.017 mol CO2·min-1，远低于有机胺类吸收剂，且成本较高。因此，在实际工业过程中，传统离子液体暂时无法取代有机胺吸收剂。
4功能化离子液体
氨基酸是一种环境友好型物质，广泛存在于大自然中。氨基酸盐不易蒸发，性质稳定。同时，氨基酸盐极易被引入离子液体中，从而合成氨基酸功能化离子液体（Amino acid ionic liquids）。尤其是针对CO2吸收工艺，氨基酸中的氨基，正好可被用作碱性氨基功能化基团的来源而引入离子液体中，成为一种无毒无害的CO2吸收剂。由于离子液体价格较为昂贵，因此，发展高效低能耗的功能化离子液体吸收剂才有可能被运用于大规模工业生产中。
单氨基功能化离子液体，即在传统离子液体基础上引入一个-NH2功能化基团，通过加入化学反应提高CO2吸收能力。2002年，Bate等合成含一个-NH2阳离子功能化基团的功能化离子液体[NH2p-bim][BF4]，该离子液体在常温常压下的CO2吸收负荷约为0.5 mol CO2/mol ILs。他们认为CO2与N原子上的自由电子形成-COOH基团，同时，[NH2p-bim]+上的氨基与一个H+形成氨基自由基。Bate 还通过傅立叶红外光谱技术推断[NH2p-bim][BF4]离子液体吸收剂吸收CO2机理，吸收机理符合两性离子吸收机理，具体过程如图1.2所示。其次，该离子液体还具有较好的再生性能，在经过五次再生循环后，该离子液体的吸收负荷未有明显减小。
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图1.2 [NH2p-bim][BF4]离子液体吸收剂吸收CO2机理
Fig.1.2 Mechanismof CO2absorption into[NH2p-bim][BF4]
双氨基功能化离子液体，即在离子液体中同时引入两个-NH2，提高了-NH2数量，相较于单氨基功能化离子液体，能得到更高的CO2吸收负荷。Xue等合成了双氨基功能化离子液体[aemmim][Tau]，该离子液体的CO2饱和溶解度接近1 mol CO2/mol ILs，其吸收CO2反应机理如图1.4。该机理表明，[aemmim][Tau] 与CO2生成RNHCOO－，该反应过程与两性离子吸收CO2过程类似。
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5 结尾
基于以上分析，功能化离子液体是一种可设计的环保型CO2吸收剂。而传统离子液体通过物理作用吸收CO2，其吸收速率及吸收负荷较低。因此，在现有离子液体吸收剂的基础上，引入碱性氨基功能化基团，以此提高其对CO2的化学吸收能力，已成为现有离子液体吸收剂的主要发展趋势。
论文作者:曾雯
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/27
标签：离子论文; 液体论文; 吸收剂论文; 氨基论文; 乙醇胺论文; 功能论文; 基团论文; 《防护工程》2018年第29期论文;