[發明專利]一類用于捕集混合氣體中二氧化碳的新型脂肪多胺溶液及應用

有效

• 申請號: 202110177801.5
• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN112957896B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 劉安華;沙芯如;陳紹云;呂小兵;張永春
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B01D53/78
• 分類號: B01D53/78;B01D53/62
• 代理公司: 大連格智知識產權代理有限公司 21238
• 代理人: 劉琦

本發明公開一類用于捕集混合氣體中二氧化碳的新型脂肪多胺溶液及應用，屬于碳中和技術領域。新型脂肪多胺溶液按重量份計，包括20～40份功能化二乙烯三胺吸收劑和60～80份水。本發明通過向吸收劑分子結構內引入多個胺基官能團，增強其二氧化碳捕集容量；同時選取各胺基官能團間距為兩個亞甲基，強化吸收和脫附過程中胺基間的質子遷移效率，進而提高捕集容量和反應速率；還通過鍵聯烷基控制胺基所含質子數目，以削減吸收劑與二氧化碳的反應熱，從而提高其脫附效率并降低脫附能耗。本發明通過分子層面的針對性結構設計，在增加二氧化碳捕集容量的基礎上，提高吸收劑的脫附效率并降低脫附能耗。

技術領域

本發明屬于碳中和技術領域，涉及一類用于捕集混合氣體中二氧化碳的新型脂肪多胺溶液及應用。

背景技術

以化石燃料作為主要能源的工業生產每年排放大量富含二氧化碳的煙道廢氣，而二氧化碳又是導致全球氣候變暖的主要溫室氣體，所以如何減少二氧化碳排放以降低其大氣濃度，成為當今人類社會面臨的共同難題，各國政府均致力于完成《巴黎協定》所規定的減排任務。另一方面，二氧化碳又是廉價易得、不可燃、無毒無害且可再生的碳資源，通過構建C-C、C-N、C-O等化學鍵以及氫化還原等方法，可將其催化轉化為包括羧酸、脲、碳酸酯/聚碳酸酯、氨基甲酸酯、噁唑啉酮、喹唑啉二酮、甲醇、甲酸和甲酰胺等在內的化工原料和精細化學品。因此，無論從環境保護還是資源利用角度考慮，將二氧化碳從工業排放的煙道廢氣中捕集并分離，都具有十分重要的研究價值和生態效益，既是解決相關環境問題的有效途徑，也能夠為其資源化利用提供物質基礎。

富含二氧化碳的工業廢氣排放是二氧化碳捕集技術的主要應用場景，目前工業界主要采用醇胺(乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、甲基乙醇胺、甲基二乙醇胺和異丁醇胺等)溶液吸收法。醇胺溶液將二氧化碳捕集為氨基甲酸銨或碳酸氫銨，其循環捕集容量為6～10wt％，脫附溫度在120℃以上(反應式1和反應式2)。該類方法雖然技術成熟，并且有一定應用規模，但醇胺類吸收劑分子受胺基含量較低所限，質量捕集容量無法進一步提升；同時由于醇胺與二氧化碳的反應熱較大，其吸收過程放熱劇烈，導致脫附溫度高和熱分解失活等問題。工業應用的乙醇胺吸收劑配方還需要加入一定量的抗氧化劑、抗腐蝕劑和增溶劑，其組成成分復雜。

傳統醇胺類吸收劑由于結構所限，捕集容量無法進一步提升，并且其脫附溫度高且易于熱降解失活。為此，學術和工業界投入大量資源進行了有針對性的新型二氧化碳捕集體系研發并取得了一定進展，例如以離子液體、有機胺及其有機溶液等為代表的非水相吸收劑，以及以多孔碳材料和金屬有機框架為代表的固體吸附材料。但結合當前實際生產情況考慮，價格低廉且能夠利用現有二氧化碳捕集設備的水相吸收劑仍然是工業脫碳技術的首選。因此，為了實現國家“努力爭取2060年前實現碳中和”的目標，開發具有更高捕集容量和更低脫附能耗的水相吸收劑仍是當務之急。

發明內容

本發明的目的是提供一類用于捕集混合氣體中二氧化碳的高容量和低能耗的新型脂肪多胺溶液及應用，以解決現有醇胺溶液吸收體系存在的捕集容量不足、脫附能耗高和易熱降解失活等問題。

本發明的技術方案如下：

一類用于捕集混合氣體中二氧化碳的高效節能的新型脂肪多胺溶液，按重量份計，包括20～40份功能化二乙烯三胺吸收劑和60～80份水，所述吸收劑中的二乙烯三胺鍵聯烷基，將吸收劑所含胺基全部功能化為交替排列的仲胺和叔胺。

本發明在分子層面對吸收劑結構進行針對性設計：1)吸收劑結構中含有三個胺基官能團，一部分與二氧化碳直接發生反應，另一部分用于中和反應原位生成的氨基甲酸，通過形成分子內氨基甲酸銨鹽以增強吸收劑的二氧化碳捕集容量；2)控制各胺基官能團之間的脂肪碳鏈長度為兩個亞甲基，促進二氧化碳吸收和脫附過程中相鄰胺基官能團之間的質子遷移，進而提高捕集容量和反應速率；3)通過鍵聯烷基將吸收劑所含胺基全部功能化為交替排列的仲胺和叔胺，削減吸收劑氮原子上的質子數目，以降低吸收劑與二氧化碳的反應熱，從而提高其脫附效率并降低脫附能耗。