新型低共熔溶剂捕获二氧化碳

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多年来,随着二氧化碳排放量的大幅增长,其捕集已成为防止全球变暖和气候变化的重要策略。离子液体由于具备高的热稳定性已成为捕获CO2的潜在介质,但价格高、毒性大、生物降解性差和再生能量需求高等缺点严重限制了其应用。为此,本论文将构建新型低共熔溶剂,确定其对CO2吸收能力,考察再生能力;采用分子模拟手段探讨氨基酸基DES(Deep Eutectic Solvent)的形成及和CO2的相互作用。主要研究内容及结果如下:采用一锅法在30 ℃下搅拌30 min一步合成新型DES([MEAHCl][MEA]),其1H NMR表征表明一锅法制备的DES与用盐酸和乙醇胺先制得乙醇胺盐酸盐再与乙醇胺混合制得的体系是一致。核磁及红外揭示[MEAHCl][MEA]通过生成氨基甲酸酯吸收CO2。该DES表现出快速的吸收CO2初始动力学,在10 min内吸收量约为22.5 wt%。但热重(TGA)和TGA-FTIR分析表明,[MEAHCl][MEA]的热稳定性低,且吸收CO2后比体系更稳定,说明该DES难于再生。为了改进[MEAHCl][MEA]的热稳定性和再生能力,引入乙二醇(EG)/甘油(G)。实验结果表明乙二醇/甘油的存在降低体系黏度,提升了热稳定性,并由热力学计算进一步证实。FTIR和NMR结果说明EG/G不参与CO2吸收反应。TGA和TGA-FTIR分析结果进一步说明EG/G的引入改善了[MEAHCl][MEA]再生能力。最后考察体系对模拟烟道气中的CO2吸收。研究结果表明水的存在显着提高了体系初始吸收阶段的CO2吸收率,吸收量随着温度增加均缓慢增加。进一步探讨氨基酸和MEA形成DES的可能性及对CO2的吸收。研究结果表明亲水直链氨基酸能与MEA构成DES;带环的疏水性氨基酸能与MEA构成DES,而直链的除了甲硫氨酸外均无法形成DES。CO2吸收能力与分子量相关。同一类型DES,氨基酸分子量越小,体系捕集CO2的能力越强。分子模拟结果表明随着分子量的增加亲水氨基酸基DES构型的最低能量的绝对值越大,而疏水氨基酸基DES与之相反。基于力场的能量分解分析结果表明氨基酸DES与CO2之间的总相互作用能的绝对值与分子量成反比。RDG分析说明氨基酸基DES与CO2之间主要是范德华力,亲水类氨基酸基DES中氨基酸起主要作用,疏水氨基酸基DES中乙醇胺起主要作用。
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