[發(fā)明專利]一種羥烷基哌嗪基碳捕集劑的制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210361121.3
• 申請(qǐng)日: 2022-04-07
• 公開（公告）號(hào): CN114699900B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔鵬;賈邵竣;鄭松濤;李義;黃鈺涵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B01D53/78
• 分類號(hào): B01D53/78;B01D53/79;B01D53/62
• 代理公司: 合肥英特力知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34189
• 代理人: 孫健;李偉

本發(fā)明提供了一種羥烷基哌嗪基碳捕集劑的制備方法與應(yīng)用，涉及COsubgt;2/subgt;捕集技術(shù)領(lǐng)域。該碳捕集劑以式A或式B所示結(jié)構(gòu)的羥烷基哌嗪基有機(jī)胺為主要成分。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的羥烷基哌嗪基有機(jī)胺在結(jié)構(gòu)上增加了分子內(nèi)仲/叔胺基數(shù)量進(jìn)而增大分子內(nèi)空間位阻，降低吸收COsubgt;2/subgt;所得胺基甲酸鹽的穩(wěn)定性，且羥烷基的引入有效提高了有機(jī)胺的溶解性能及熱穩(wěn)定性。本發(fā)明的羥烷基哌嗪基有機(jī)胺經(jīng)復(fù)配工藝制備的碳捕集劑，兼具吸收速率較高、吸收容量高、再生性能好和解吸能耗低等特點(diǎn)，可應(yīng)用于工業(yè)煙氣中COsubgt;2/subgt;捕集。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及有機(jī)胺捕集CO₂技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種羥烷基哌嗪基碳捕集劑的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源已經(jīng)成為推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的主引擎，但與之伴隨的是大氣污染和溫室效應(yīng)所給人類帶來的巨大挑戰(zhàn)。造成全球溫室效應(yīng)的主要原因是CO₂的過度排放。因此對(duì)CO₂的捕獲、利用和封存技術(shù)成為“碳中和”領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

有機(jī)胺法被認(rèn)為是從工業(yè)煙氣中捕獲CO₂的最有效技術(shù)之一：胺基官能團(tuán)可與水發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，提供堿性環(huán)境，使其具有高CO₂吸收容量；伯、仲胺基官能團(tuán)可與CO₂結(jié)合生成胺基甲酸鹽，使其具有高CO₂吸收速率；同時(shí)有機(jī)胺結(jié)構(gòu)的多樣性和可設(shè)計(jì)性使其成為最具潛力的碳捕集劑之一。但解吸能耗仍是有機(jī)胺法捕集CO₂的關(guān)鍵難點(diǎn)，合理的有機(jī)胺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低解吸能耗的有效方式。

分子結(jié)構(gòu)中的羥基官能團(tuán)及溶液中醇類化合物的引入有利于提高有機(jī)胺碳捕集劑的再生性能。中國專利號(hào)CN201680018432.2公開了一種用于分離和捕集二氧化碳的吸收液以及使用所述吸收液分離和捕集二氧化碳的方法。該吸收液由一類具有空間位阻效應(yīng)的烷醇胺水溶液、低分子量的二元醇化合物和/或甘油組成。醇羥基及低分子量二醇化合物和/或甘油的加入，有效提高了低溫下二氧化碳的解吸速率和再生效率，從而降低了該類烷醇胺的再生能耗，但該類吸收劑的二氧化碳飽和吸收量及吸收速率較低。

中國專利號(hào)CN202110177801.5公開了一類脂肪多胺碳捕集劑，通過向二乙烯三胺的伯、仲胺基上引入烷烴基等官能團(tuán)，極大的改善了二乙烯三胺的解吸性能，降低了解吸能耗。但直鏈脂肪胺在循環(huán)過程中極易降解。Davis?J?D^[1]通過研究表明，不同結(jié)構(gòu)有機(jī)胺發(fā)生熱降解的難易程度為：沒有側(cè)鏈的環(huán)胺＜長鏈烷醇胺＜具有空間位阻的烷醇胺＜叔胺＜MEA＜直鏈二胺和三胺。在該論文所述的實(shí)驗(yàn)條件下，沒有檢測到哌嗪和嗎啉的熱降解，而二乙烯三胺的熱降解量最大，在135℃下，8周損失超過90％。

綜上所述，開發(fā)一種具有高吸收性能、低解吸能耗同時(shí)具備良好的溶解性能和熱穩(wěn)定性的新型碳捕集劑，是實(shí)現(xiàn)煙氣CO₂捕集領(lǐng)域“碳中和”目標(biāo)的當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種羥烷基哌嗪基碳捕集劑的制備方法與應(yīng)用。

本發(fā)明在化合物的分子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，羥烷基哌嗪基有機(jī)胺在分子結(jié)構(gòu)上以哌嗪的六元環(huán)狀結(jié)構(gòu)為骨架，可有效抑制分子斷裂和分子內(nèi)聚合反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而提高分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性，且抑制碳捕集劑在熱解吸時(shí)的熱降解；在哌嗪骨架的N原子上引入胺基和羥基兩種極性官能團(tuán)，極大改善了分子的揮發(fā)性、水溶性和流動(dòng)性，降低了碳捕集劑在循環(huán)過程中的胺損失，同時(shí)胺基官能團(tuán)的引入增加了分子內(nèi)親核反應(yīng)位點(diǎn)，有效提高了其對(duì)CO₂的吸收容量，而羥基官能團(tuán)的存在，極大改善了碳捕集劑的解吸性能；通過控制所引入羥烷基和胺烷基中烷基的數(shù)量和結(jié)構(gòu)，一方面可降低極性官能團(tuán)對(duì)胺基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，另一方面烷基側(cè)鏈的存在增加了分子內(nèi)空間位阻效應(yīng)，有利于胺基甲酸鹽水解產(chǎn)生碳酸氫鹽，進(jìn)而提高解吸性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：