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分离强化技术
二氧化碳捕获与分离,这个聚离子液体不简单
 最后更新:2019-08-30  作者:佚名  浏览:192次

  “CO2捕获”是一项主要用于去除气流中的CO2或者分离出CO2作为气体产物的技术。而“CO2捕获”又是碳捕获与封存(carbon capture and storage,简称CCS技术)的第一步。通常,CO2需要在较高的纯度进行运输和封存,而在大多数工业尾气中CO2的浓度达不到这个要求,所以必须从尾气中将CO2分离出来。CO2捕获技术可以分为化学吸收、物理吸收、物理吸附、膜分离、深冷分离等若干类别,在应用时需要根据CO2排放源的实际特点和参数等进行捕获方式和设备的选择。其中采用各种固体吸附剂进行CO2捕获已经进行了许多尝试,然而,聚合物离子液体(PILs)作为一种新兴的吸附剂,其CO2捕获潜力尚未得到广泛的研究。

  近日,开罗美国大学的Sonia Zulfiqar等人合成了一类新型的吡啶类聚离子液体(PAPILs)用于CO2的捕获,发现其对CO2的捕获效果明显,且能较好的实现CO2与CH4的分离。

图1. PAPIL捕获CO2的示意图

  首先,研究人员设计合成了新型的离子二胺单体([MDAP][TFSI])和吡啶类聚离子液体(PAPILs),合成路线如图2所示。典型的合成包括2,6-二氨基吡啶(DAP)与三氟甲烷-磺酸甲酯在二氯乙烷中的反应,生成甲基二氨基吡啶三氟甲烷磺酸甲酯([MDAP][TFMS]);然后进行阴离子交换,形成甲基二氨基吡啶双(三氟甲磺酰)亚胺([MDAP][TFSI]);最后进行聚合反应形成PAPILs (PAPIL-1, PAPIL-2)。

图2. [MDAP][TFSI]和PAPILs的合成路线

  接着,研究人员对合成的PAPILs的物理化学性质进行研究。从粉末X射线衍射(PXRD)图谱可以看出,PAPILs是无定形的(如图3A所示)。热重分析曲线(TGA)图还显示(如图3B所示),这两种PAPILs都是热稳定的,在温度高达225 ℃时才会出现重量减轻。采用扫描电镜(SEM)对两种PAPILs进行扫描(如图4A, B所示),发现PAPIL-1颗粒形态和结构致密;相反,PAPIL-2表现出团聚多孔颗粒的存在,这也可以从它与PAPIL-1相比的高表面积值看出。同时,高分辨率透射电镜(HR-TEM)图像(如图4C, D所示)也显示了核壳纳米颗粒的形成。

图3. (A) PAPILs粉末X射线衍射(PXRD)图谱;(B)PAPILs的热重分析曲线(TGA)

图4. (A) PAPIL-1和(B) PAPIL-2的SEM图像;(C) PAPIL-1和(D) PAPIL-2的HR-TEM图像

  其次,研究人员用氮气吸附-解吸等温线(77 K)测定了PAPILs的孔隙度以及对CO2的捕获效果(如图5A所示)。与PAPIL-1 (1.9 m2/g)相比,PAPIL-2的表面积更高(22 m2/g),从而支持SEM结果,并说明了更多的多孔结构的PAPIL-2。分别在273 K和298 K条件下,分别测定了不同温度条件下,两种PAPILs的CH4气体等温线(如图5B所示)和CO2吸附解吸等温线(如图5C,D所示)。由于PAPIL-2的多孔性,在273 K和1 bar时,与PAPIL-1 (8.1 mg/g)相比,PAPIL-2表现出更高的CO2吸收效能(13.9 mg/g)。CO2吸附-解吸等温线的窄滞后,特别是在273 K时,表明了PAPILs与CO2分子之间的弱相互作用,这表明PAPILs在捕获CO2之后再生的能量损失较低。

图5. (A) 77 K时测定的PAPILs氮气气体等温线(插图: BJH法测得的不同孔径分布曲线); (B) 273 K时PAPILs的CH4气体吸附-解吸等温线;在273(C)和298 K (D)时PAPILs的CO2气体吸附-解吸等温线;(E) 273 K时PAPILs的CO2吸附等温线; (F) IAST法计算的CO2/CH4对CO2:CH4气体混合物0.5:0.5的选择性

  最后,为了计算CO2和CH4气体分子与PAPILs的相互作用,研究人员分别定义了两种理论模型用于计算CO2与CH4与PAPILs结合能。图6A、B分别为CO2分子与PAPIL-1、PAPIL-2的相互作用,图6C、D分别为CH4分子与PAPIL-1、PAPIL-2的相互作用。量子化学计算结果如表1所示。CO2与PAPIL-2 (18.33 kJ/mol)的结合能比与PAPIL-1 (15.68 kJ/mol)的结合能更负,说明了PAPIL-2与CO2的亲和力更强,计算结果进一步支持了实验结果。

图6. (A) PAPIL-1/CO(B) PAPIL-2/CO2(C) PAPIL-1/CH4和(D) PAPIL-2/CH4复合物的分子模型

表1. PAPILs-1和PAPILs-2与CO2和CH4的结合能(ECP)

  综上所述,研究人员首次成功地合成了含酰胺基吡啶类化合物PAPILs。并且在273 K和1 bar时,PAPIL-2的CO2吸收率最高能达到13.9 mg/g,这与文献中许多使用TFSI负离子的PILs相比,具有明显的优势,因此在CO2捕获方面具有潜在的应用前景。证明了提高PILs的表面积和孔隙率有助于提高CO2的吸附效能。此外,阳离子和阴离子的变化也会对PILs的CO2吸附性能产生显著影响,相关内容还在进一步的研究中。

 

 

 

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