一种二氧化碳的无水相变吸收剂及其吸收和再生方法
阅读说明：本技术 一种二氧化碳的无水相变吸收剂及其吸收和再生方法 (Anhydrous phase change absorbent for carbon dioxide and absorption and regeneration method thereof ) 是由 张立麒 江伍凤 李小姗 罗聪 邬凡 高歌 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明特别涉及一种二氧化碳的无水相变吸收剂及其吸收和再生方法,属于二氧化碳捕集技术领域,吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和醇；以功能型离子液体——四甲基铵甘氨酸([N-(1111)][Gly])为主吸收剂,以醇为溶剂,同时醇也作为分相剂,相变吸收剂在吸收CO-(2)后生成沉淀,且易分层,大部分二氧化碳产物集中在下层沉淀中,即富相中。解吸时,只需对富相进行加热,可降低加热的溶液量,有效降低再生能耗。醇的加入显著降低[N-(1111)][Gly]的粘度,同时参与反应,提高了理论吸收容量,另外沉淀的生成促进吸收反应正向进行,进一步促进吸收进行。(The invention particularly relates to an anhydrous phase change absorbent for carbon dioxide and an absorption and regeneration method thereof, belonging to the technical field of carbon dioxide capture, wherein the absorbent comprises: tetramethylammonium glycine and alcohol; using functional ionic liquid-tetramethyl ammonium glycine ([ N ] 1111 ][Gly]) The phase-change absorbent is used for absorbing CO, and takes alcohol as a solvent and simultaneously takes alcohol as a phase-splitting agent 2 Then, a precipitate is generated, and the precipitate is easy to separate, and most of the carbon dioxide product is concentrated in the lower precipitate, namely a rich phase. During desorption, only the rich phase needs to be heated, so that the amount of heated solution can be reduced, and the regeneration energy consumption is effectively reduced. Significant reduction in alcohol addition [ N ] 1111 ][Gly]The viscosity of (2) and the reaction are simultaneously participated in, the theoretical absorption capacity is improved, and in addition, the generation of the precipitate promotes the forward progress of the absorption reaction, further promotes the forward progress of the absorption reactionAbsorption proceeds.)
技术领域
本发明属于二氧化碳捕集技术领域，特别涉及一种二氧化碳的无水相变吸收剂及其吸收和再生方法。
背景技术
近年来，随着温室效应日益突出，温室气体尤其是二氧化碳的捕集、利用和封存受到了科学界和各国政府的高度关注。温室效应加剧导致全球气候变暖，随之引发一系列生态环境问题，并将加重区域性自然灾害，对人类的生存和发展也将造成不可忽视的影响。
二氧化碳主要来源于化石燃料的燃烧，集中在工业、电力和交通运输等行业。碳捕集被认为是有效降低大气中二氧化碳含量的重要方法。目前二氧化碳的捕集主要有吸收法、吸附法和膜分离法等。其中溶剂吸收应用最为普遍。
在溶剂吸收捕集二氧化碳过程中，根据二氧化碳是否与溶剂发生化学反应可以分为物理吸收法和化学吸收法。物理法是基于吸收剂对二氧化碳和其他气体组分的溶解度差异，加压下从混合气中吸收二氧化碳，再通过减压闪蒸和汽提释放出吸收的二氧化碳，使二氧化碳与其余气体分离，同时二氧化碳也得到提浓。化学法是通过吸收剂与二氧化碳能够发生化学反应，生成富含二氧化碳的富液，该富液在加热作用下能够解吸出二氧化碳，二氧化碳和其他气体组分得到分离，解吸出二氧化碳的吸收剂可以再次用于二氧化碳的吸收过程，吸收和解吸过程交替进行，从而实现二氧化碳与其他气体的分离和提浓。
目前碳捕集吸收剂中常用的吸收剂是醇胺类吸收剂。传统有机胺水溶液再生能耗高、且有水相变吸收剂后续处理水污染。
发明内容
本申请的目的在于提供一种二氧化碳的无水相变吸收剂及其吸收和再生方法，以解决传统有机胺水溶液再生能耗高、现有有水相变吸收剂后续处理水污染的缺陷。
本发明实施例提供了一种二氧化碳的无水相变吸收剂，所述吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和醇。
可选的，所述四甲基铵甘氨酸和所述醇的质量比为1：4-2：1。
可选的，所述四甲基铵甘氨酸的质量分数为20％-67％。
可选的，所述醇包括C1-C5醇中的至少一种。
可选的，所述醇包括乙醇、正丙醇和正丁醇中的至少一种。
可选的，所述醇的纯度为分析纯。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种二氧化碳的吸收方法，所述方法包括：将含有二氧化碳的气体和如上所述的二氧化碳的无水相变吸收剂进行接触吸收，获得带沉淀的吸收剂。
可选的，所述接触吸收的温度为30℃-60℃，其中，优选接触吸收温度为30℃。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种二氧化碳的无水相变吸收剂的再生方法，所述方法包括：
获得吸收二氧化碳后的带沉淀的吸收剂；
将所述带沉淀的吸收剂进行分离，获得富相沉淀和液相；
将所述富相沉淀进行解吸，获得解吸物；
将所述解吸物和所述液相混合，完成再生。
可选的，所述解吸的方式为加热，所述加热的加热温度为118℃-122℃。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和醇；以功能型离子液体——四甲基铵甘氨酸([N1111][Gly])为主吸收剂，以醇为溶剂，同时醇也作为分相剂，相变吸收剂在吸收CO2后生成沉淀，且易分层，大部分二氧化碳产物集中在下层沉淀中，即富相中。解吸时，只需对富相进行加热，可降低加热的溶液量，有效降低再生能耗。醇的加入显著降低[N1111][Gly]的粘度，同时参与反应，提高了理论吸收容量，另外沉淀的生成促进吸收反应正向进行，进一步促进吸收进行。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的
具体实施方式
。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的再生方法的流程图；
图2是本发明实施例1至5提供的吸收剂的吸收性能图；
图3是本发明实施例6至10提供的吸收剂的吸收性能图；
图4是图2和图3的合并比较图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种二氧化碳的无水相变吸收剂，所述吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和醇。本领域技术人员可以理解的是：无水并非指绝对无水，而是尽可能的避免在吸收剂中混入水。
四甲基铵甘氨酸的结构式为：同时四甲基铵甘氨酸可以通过酸碱中和反应一步合成法制得。
作为一种可选的实施方式，四甲基铵甘氨酸和所述醇的质量比为1：4-2：1。
控制四甲基铵甘氨酸和所述醇的质量比为1：4-2：1的原因是此比例下的混合吸收剂具有良好的CO2吸收性能及分层效果，该质量比取值过小的不利影响是吸收剂对CO2的饱和吸收量低，过大的不利影响是饱和吸收CO2的分层效果不好，不利于贫富相分离。
作为一种可选的实施方式，醇为C1-C5醇中的至少一种，具体而言，可以为乙醇、正丙醇和正丁醇中的至少一种。优选的，醇为乙醇或正丙醇。
醇既作为溶剂，同时也作为分相剂；醇的加入显著降低[N1111][Gly]的粘度，降低粘度利于吸收传质过程，增大传质速度，吸收速率更快，另外低粘度可减少吸收剂在管道内的损失，同时醇参与反应，提高了理论吸收容量。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种二氧化碳的吸收方法，所述方法包括：将含有二氧化碳的气体和如上提供的二氧化碳的无水相变吸收剂进行接触吸收，获得带沉淀的吸收剂。
作为一种可选的实施方式，接触吸收的温度为30℃-60℃，优选的，接触温度为30℃。
根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上提供的二氧化碳的无水相变吸收剂的再生方法，所述方法包括：
S1.获得吸收二氧化碳后的带沉淀的吸收剂；
S2.将所述带沉淀的吸收剂进行分离，获得富相沉淀和液相；
S3.将所述富相沉淀进行解吸，获得解吸物；
S4.将所述解吸物和所述液相混合，完成再生。
由于无水相变吸收剂在吸收CO2后生成沉淀，且易分层，大部分二氧化碳产物集中在下层沉淀中，即富相中。解吸时，只需对富相进行加热，可降低加热的溶液量，有效降低再生能耗；加热的加热温度为118℃-122℃。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的二氧化碳的无水相变吸收剂及其吸收和再生方法进行详细说明。
需要说明的是，以下实施例和对比例所采用的四甲基铵甘氨酸为申请人制备得到的，具体的制备方法如下：
(1)将四甲基氢氧化铵无水合物[N1111][OH]·5H2O和甘氨酸Gly以摩尔比为1：1.02的比例(甘氨酸稍过量，确保充分反应)混合于烧杯中，加入适量去离子水溶解，将合适大小的磁子轻放入烧杯中，然后用保鲜膜封住烧杯口。使恒温磁子搅拌器(水浴)接通电源，设置温度为25℃，预热5分钟，将烧杯置于其中，设置磁子转速为10r/s，充分反应24小时，反应结束后关闭电源。反应方程式如下所示：
[N1111][OH]·5H2O+Gly→[N1111][Gly]+6H2O
(2)将反应后产物转移到烧瓶中，烧瓶接上防暴沸管后再接在旋转蒸发仪上，关上排气阀，接通旋蒸仪和循环水真空泵电源，打开循环水开关，不停抽真空确保烧瓶内为负压，初设蒸发温度55℃，确保无暴沸现象后可适当升高，旋蒸结束后关闭电源和循环水龙头。待除去大部分溶剂后，将烧瓶放入真空干燥箱中设置温度为60℃，烘干至恒重，得到[N1111][Gly]离子液体的粗产品。
(3)因离子液体[N1111][Gly]溶于乙醇而甘氨酸不溶于乙醇，向烧瓶中加入三倍于粗产品的无水乙醇搅拌洗涤，过滤除去甘氨酸，得到[N1111][Gly]乙醇溶液，再接到旋转蒸发仪上，初设蒸发温度为45℃，确保无暴沸现象后可适当升高。除去大部分乙醇后放入真空干燥箱中，设置温度为65℃，烘干至恒重，得到目标产物[N1111][Gly]离子液体，密封保存。
制备四甲基铵甘氨酸中所用到的试剂的型号如下：
四甲基氢氧化铵五水合物，分子量181.23，纯度99％，CAS号：10424-65-4，生产厂商：萨恩化学技术(上海)有限公司。
甘氨酸，分子量75.07，纯度：分析纯，CAS号：56-40-6，生产厂商：国药集团化学试剂有限公司。
以下实施例和对比例所采用的醇的型号如下：
无水乙醇，分子量46.07，纯度：分析纯，CAS号：64-17-5，生产厂商：国药集团化学试剂有限公司。
正丙醇，分子量60.10，纯度：分析纯，CAS号：71-23-8，生产厂商：国药集团化学试剂有限公司。
实施例1
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和乙醇；四甲基铵甘氨酸和乙醇的质量比为2：1。
实施例2
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和乙醇；四甲基铵甘氨酸和乙醇的质量比为1：1。
实施例3
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和乙醇；四甲基铵甘氨酸和乙醇的质量比为1：2。
实施例4
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和乙醇；四甲基铵甘氨酸和乙醇的质量比为1：3。
实施例5
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和乙醇；四甲基铵甘氨酸和乙醇的质量比为1：4。
实施例6
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和正丙醇；四甲基铵甘氨酸和正丙醇的质量比为2：1。
实施例7
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和正丙醇；四甲基铵甘氨酸和正丙醇的质量比为1：1。
实施例8
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和正丙醇；四甲基铵甘氨酸和正丙醇的质量比为1：2。
实施例9
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和正丙醇；四甲基铵甘氨酸和正丙醇的质量比为1：3。
实施例10
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和正丙醇；四甲基铵甘氨酸和正丙醇的质量比为1：4。
对比例1
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸。
对比例2
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和乙醇；四甲基铵甘氨酸和乙醇的质量比为1：6。
对比例3
一种二氧化碳的无水相变吸收剂，吸收剂包括：四甲基铵甘氨酸和正丙醇；四甲基铵甘氨酸和正丙醇的质量比为1：6。
实验例：
将实施例1-10和对比例1-4提供的吸收剂进行吸收性能测试，
性能测试的参数如下：吸收温度为30℃，压力为0.1MPa，二氧化碳浓度为99.99％、吸收剂用量为离子液体[N1111][Gly]的质量固定为3g，醇的用量根据比例。
测试结果如图2所示。
由图可得，通过比较对比例1和实施例数据可得，醇的加入能够显著提高吸收剂对二氧化碳的吸收速率和吸收量，通过比较对比例2、对比例3和实施例数据可得，当四甲基铵甘氨酸和醇的配比不在本发明实施例提供的范围内时，申请人发现吸收性能并没有提高，申请人分析其原因可能为：主吸收剂为离子液体，且相比纯离子液体，醇有一定的挥发性，故在已达到预期效果时没有必要增大醇的占比。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例提供的吸收剂在吸收CO2后生成沉淀，且易分层，大部分二氧化碳产物集中在下层沉淀中，即富相中。解吸时，只需对富相进行加热，可降低加热的溶液量，有效降低再生能耗；
(2)本发明实施例提供的吸收剂以功能型离子液体——四甲基铵甘氨酸([N1111][Gly])为主吸收剂，以醇为溶剂，醇的加入显著降低[N1111][Gly]的粘度，同时参与反应，提高了理论吸收容量；
(3)本发明实施例提供的吸收剂中，醇既为溶剂，同时醇也为分相剂，沉淀的生成促进吸收反应正向进行，进一步促进吸收进行。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。