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离子液体:“释放”二氧化碳

发布时间:2019-11-30 21:58   帮助了3882人
摘要:二氧化碳(CO2)是大气中必不可少的成分,并且是生命活动和生产的重要参与者。但是,与此同时,作为引起全球温室效应的“罪魁祸首”之一,二氧化碳浓度的失控也会带来灾难。


二氧化碳(CO2)是大气中必不可少的成分,并且是生命活动和生产的重要参与者。但是,与此同时,作为引起全球温室效应的“罪魁祸首”之一,二氧化碳浓度的失控也会带来灾难。当地时间11月25日,世界气象组织(WMO)在日内瓦发布的新版《温室气体公报》指出,2018年全球平均CO2浓度已达到407.8ppm,在1750年工业化之前为147%。今年5月11日,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)位于夏威夷的莫纳罗阿气象站监测到,大气CO2浓度达到415.26ppm,这是人类历史上大气CO2浓度首次超过415ppm。人类已经意识到需要对“不良”二氧化碳进行“再教育”。

不幸的是,传统的工艺路线具有诸如高成本,高能耗和低效率的问题。与这些费钱的“老学者”相比,中国科学院过程工程研究所离子液体与绿色工程研究所的团队发现,离子液体可能是“再教育”的最佳导师。 ”。二氧化碳捕集呼唤新思路根据国际能源署(IEA)的统计,由于大规模使用化石燃料,全球每年向大气中排放的二氧化碳总量约为323亿吨,超出了全球环境的能力。如何控制大气中的二氧化碳含量?一方面,通过限制碳排放和推广低碳技术,从源头上减少了二氧化碳排放;另一方面,工业气体中的二氧化碳被捕获和利用。在“十三五”规划中,中国设定了减排目标,将单位国内生产总值的二氧化碳排放量减少18%,促进二氧化碳的捕集和资源利用也成为一项关键任务。但是,在相当长期以来,二氧化碳捕获和资源利用技术未能取得实质性突破。为了减少捕获二氧化碳的能量消耗,必须开发新的吸收剂。为此,研究所的离子液体小组针对国家减少碳排放的主要战略需求,围绕离子液体清洗过程,形成了从基础研究到工业应用的透彻研究思路,并提出了一种新的离子液体方法来解决这一问题。捕获和回收二氧化碳。技术。寻找合适的离子液体离子液体是一种由在室温下呈液态的阴离子和阳离子组成的新型介质。独特的阴离子和阳离子结构使其具有低挥发性,高溶解度和选择性以及结构设计性的特点。它可以在较大的温度,压力和组成范围内实现大规模的CO2排放。但是,由于它们的多样性和特殊结构,传统的溶剂筛选方法通常不适用。同时,离子液体中的气体转移行为与常规有机溶剂中的气体转移行为非常不同,并且不可能使用通用的流动转移模型来设计通用的工业设备。为了更好地预测离子液体的物理性质,研究小组首先提出了一种基于“离子片剂”的预测方法,该方法实现了离子液体的高效筛选和多目标优化的逆向设计,并开发了咪唑,吡啶,季膦,胍数十种类型的吸收剂(例如胺,氨基和二氨基)适合于CO2的捕集和分离。 CO2的吸收能力和反应速率得到显着提高。

与有机胺法相比,建成的80,000立方米/年沼气脱碳装置可实现85%的CO2去除率并将能耗降低30%。同时,开发的离子型抗降解剂可大大降低吸收剂在运行过程中的降解性能,大大提高吸收剂的运行稳定性,并延长使用寿命。同时,研究人员对离子液体系统中二氧化碳的传质过程进行了深入研究,并建立了相关模型,以实现对离子液体反应器中气泡直径和位置的测量。并准确预测液相中二氧化碳的浓度分布。他们还开发了一种基于离子液体的脱碳和节能新方法,即离子液体多级闪蒸工艺,与传统的醇胺工艺相比,它可以节省60%以上的能量。基于这一技术,预计中国将建造世界上第一个用于离子液体脱碳的工业示范装置。届时,CO2捕获率将大于90%,CO2的纯度将大于99%。与传统的MEA工艺相比,投资和捕获集成成本将降低30%。让懒惰的二氧化碳变成活泼的二氧化碳捕获还没有结束。实现低成本,高效和绿色资源利用是减缓温室效应的基本方法。然而,CO 2是具有强热力学稳定性和动力学惰性的气体。如何有效激活它是许多科学家感兴趣的话题。研究表明,离子液体可以激活CO2分子,尤其是在电化学还原CO2的过程中。因此,离子液体中CO 2的活化和转化也已成为国际关注的研究前沿和热点。研究机制。一方面,由于离子液体对CO 2的强溶解性,可以有效提高反应相中CO 2分子的浓度,从而提高平衡转化率。另一方面,离子液体与CO2之间的强氢键和静电具有适度的化学作用,CO2双键被部分激活,键角和能量会发生显着变化。研究所的离子液体小组对离子液体在电催化还原CO2中的机理进行了更深入和具体的研究。该团队设计并合成了一系列功能化的咪唑基离子液体,用于将CO2电化学还原为甲酸。已经发现,与常规离子液体相比,CO 2在官能化离子液体[Bmim] [124Triz]中的反应效果远高于常规离子液体。功能化的离子液体对二氧化碳具有良好的活化作用,降低了CO2对CO2自由基的反应潜能。同时,在功能化的离子液体介质中,离子和反应性分子在电极表面的转移速率更快。

离子液体分子运动图CO2绿色使用“化学物质”表示,当前的CO2转化和利用主要是通过化学反应产生甲醇/一氧化碳,乙基纤维素(EC)/碳酸二甲酯(DMC)/尿素和聚合物液体燃料和化学药品。这些中间产物可以进一步合成大量或重要的化学物质,例如醇醚,甲烷燃料,乙烯/乙二醇/碳酸盐/聚碳酸酯/异氰酸酯。 15年后,该团队开发了生产乙二醇和CO2作为DMC联产乙二醇的原料的技术。与传统的环氧丙烷酯交换法和甲醇氧化羰基化法相比,其技术路线的核心是以乙烯氧化成环氧乙烷为原料,使之在离子液体催化剂的作用下产生。与环氧乙烷的环加成反应生成EC,然后与甲醇反应生成DMC和乙二醇。通过应用该技术,与传统工艺相比,生产成本降低了30%,可以实现100%的原子经济反应和CO2的温和转化,有效解决了能耗高,效率低,难度大的问题。现有DMC和乙二醇工艺的污水处理。 作为绿色化学应用的成功实例,该技术对碳酸盐和乙二醇行业具有普遍意义。根据中科院过程工程研究所研究员程为国的说法,该团队于2014年与江苏奥克化工有限公司签订了建造万吨万吨工业示范装置的合同,并成立了一套具有自主知识产权的技术专利。该技术于2018年底通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。评估委员会一致认为,这项技术成就属于“世界第一和国际领先者”,它为二氧化碳资源的利用,现有乙二醇工艺的节能以及环氧乙烷产业链的扩展开辟了具有经济和社会效益的新途径。研究人员正在进行有关离子液体吸收剂性能的连续评估实验。 CO2的生物催化作用更为“酶促”。在自然界中,CO2的转化是典型的生物催化过程,这取决于生物酶。然后,科学家们尝试使用生物酶制剂来利用二氧化碳。与二氧化碳转化为甲醇的化学过程相比,生物催化技术的应用可以在温和的条件下将二氧化碳转化为无机物或有机物,具有较高的选择性,并且反应过程是绿色的,具有潜在的发展前景。例如,利用甲酸,甲醛和甲醇脱氢酶催化CO2转化为甲醇的生产是非常重要的环保清洁能源生产工艺,不仅满足了开发新碳资源的要求,而且从根本上解决了CO2排放问题,也恢复了生态平衡,实现了绿色生态能源资源和新型人工碳循环系统的可持续发展。科学研究发现,离子液体具有独特的特性,可通过特殊的氢键和微环境高效吸附CO2并稳定酶结构,这可为生物催化转化CO2提供新途径。在离子液体法中提高CO 2的生物催化转化技术,随着技术的发展和跨学科交叉学科的发展,目前,国内外都在进行脱氢酶偶联电化学催化,并将CO 2转化为甲酸,甲醛,甲醇等。通过仿生光反应也取得了重大突破。中国科学院过程工程研究所已经实现了一种通过离子液体将CO2催化转化为甲醇的新工艺。与常规缓冲系统相比,在20%的离子液体[CH] [Glu]中,CO2浓度和甲醇产率提高了。他们构建的固定有生物膜的酶反应系统实现了反应过程的原位催化和产物的同时分离。这些发现在离子液体增强酶将CO 2催化转化为甲醇的新工艺的整套工程技术中,进一步的突破和进展。


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