功能型離子液體吸收分離燃煤煙氣中CO2和SO2的研究

燃煤過(guò)程中以CO2為主的溫室氣體的排放，引起全球變暖的現(xiàn)實(shí)正不斷地向全世界敲響警鐘。功能離子液體在吸收分離CO2、SO2方面具有高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)潛力的CO2、SO2分離固定技術(shù)。研究探索一種能夠有效改善功能型離子液體吸收分離CO2、SO2性能的方法，對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)在燃煤CO2減排領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。 課題主要圍繞功能性離子液體在吸收分離燃煤煙氣中CO2和SO2的性能方面進(jìn)行了富有成效的研究工作，主要內(nèi)容包括： 運(yùn)用“兩步合成法”成功合成了胺基咪唑類(lèi)離子液體，并系統(tǒng)全面地研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、溶劑種類(lèi)、提純條件、不同陰離子置換劑等對(duì)胺基咪唑功能離子液體的合成產(chǎn)率、產(chǎn)物純度和合成成本的影響；采用功能性離子液體與醇胺混合以及與常規(guī)離子液體混合的方法，對(duì)改善胺基咪唑功能離子液體[NH2e-mim][BF4]在CO2中的吸收分離性能進(jìn)行了有益的嘗試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了基于較優(yōu)CO2吸收和解析性能的混合物配比、吸收和解析工藝條件及多次吸收-解析循環(huán)中混合物的物化性能變化；考察了三種陰離子基于乳酸鹽的咪唑類(lèi)，胍鹽類(lèi)和醇胺類(lèi)功能化離子液體作對(duì)SO2 的吸收性能。以MCM-41為負(fù)載材料，采用浸漬蒸發(fā)法負(fù)載TMGL離子液體，通過(guò)各種手段表征負(fù)載前后顆粒的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，進(jìn)一步研究了負(fù)載量、氣流量等因素對(duì)負(fù)載化離子液體的吸收/解析性能的影響；研究分析了功能性離子液體吸收分離SO2的吸收機(jī)理。 研究結(jié)果表明，[NH2e-mim][BF4]在與醇胺和常規(guī)離子液體混合后均極大地降低了其粘度，有效地改善了其CO2的吸收分離性能，[NH2e-mim][BF4]與常規(guī)離子液體的混合較其與醇胺的混合在吸收分離CO2的性能的改善上更具優(yōu)勢(shì)；負(fù)載顆粒具有較大的比表面積和較好的熱穩(wěn)定性，且具有更高的SO2吸收速率和解析率，具有可循環(huán)再生的優(yōu)勢(shì)。 課題嚴(yán)格按照項(xiàng)目計(jì)劃書(shū)的計(jì)劃安排，圓滿完成了研究任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。已發(fā)表論文7篇，其中國(guó)際期刊5篇，國(guó)內(nèi)核心期刊2篇，被SCI收錄5篇，EI收錄6篇；參加會(huì)議交流3篇次；培養(yǎng)博士1名，碩士2名。

開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的燃煤煙氣CO2捕集技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模減排CO2的根本途徑。功能化離子液體在吸收分離CO2和SO2方面有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)潛力的燃煤煙氣凈化技術(shù)。然而，現(xiàn)有研究多研究常溫下離子液體對(duì)單一高濃度CO2或SO2的吸收分離，缺乏針對(duì)性的對(duì)燃煤煙氣工況下的酸性氣體的協(xié)同分離。同時(shí)，對(duì)離子液體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系尚不充分和深入，缺乏對(duì)這一過(guò)程的微觀機(jī)理和相互作用機(jī)制的深入了解。本申請(qǐng)項(xiàng)目擬針對(duì)此開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究，充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的分析手段，結(jié)合多學(xué)科交叉的知識(shí)理論，從離子的概念和層次出發(fā)，研究離子液體與傳統(tǒng)分子型的CO2和SO2吸收劑在宏觀和微觀特性上的差異及調(diào)控，探索離子液體與CO2和SO2的相互作用的規(guī)律與機(jī)理，包括熱力學(xué)、界面特性、擴(kuò)散性能、吸收-解吸機(jī)理等，從分子水平揭示離子液體的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及其定量關(guān)系，為具有高效、經(jīng)濟(jì)吸收能力的功能化離子液體的設(shè)計(jì)

煤炭是我國(guó)主要一次能源，近、中期以直接燃燒為主，造成目前嚴(yán)重的煤煙型污染。有效控制燃煤污染排放是我國(guó)化石能源高效潔凈利用的重點(diǎn)。本項(xiàng)目針對(duì)燃煤煙氣中SO2排放控制和資源化問(wèn)題、以及CO2的排放控制現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，集中研究具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸δ芑x子液體同時(shí)脫硫脫碳的基礎(chǔ)問(wèn)題，包括：揭示功能化離子液體與SO2和CO2之間的相互作用本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫硫脫碳的離子液體定向制備；研究離子液體與SO2和CO2之間熱力學(xué)行為，闡明離子液體結(jié)構(gòu)、離子液體吸收和解吸過(guò)程與溫度之間的關(guān)系；認(rèn)識(shí)功能化離子液體吸收、解吸動(dòng)力學(xué)機(jī)制；掌握煙氣中其他組分（如水分、氧氣、煙塵等）對(duì)離子液體吸收SO2和CO2的影響規(guī)律等。為離子液體用于燃煤煙氣同時(shí)脫硫脫碳的技術(shù)提供支撐和理論依據(jù)，并形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的離子液體同時(shí)脫硫脫碳及SO2資源化的知識(shí)體系，促進(jìn)煙氣凈化的跨越式發(fā)展。

燃煤煙氣排放大量的SO2和CO2，是造成我國(guó)目前嚴(yán)重大氣污染的污染物；同時(shí)，我國(guó)硫資源嚴(yán)重短缺，需要大量進(jìn)口硫磺和硫酸。因此，如何有效控制這些污染物排放和回收硫資源是目前亟待需要解決的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本項(xiàng)目研究具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸δ芑x子液體（FILs）同時(shí)脫硫脫碳的基礎(chǔ)問(wèn)題。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)合成了23種脫硫FILs和20種脫碳FILs，表征了其結(jié)構(gòu)，測(cè)定了其中有應(yīng)用前景的FILs的物性及吸收過(guò)程中的物性。本項(xiàng)目提出了以陰離子對(duì)應(yīng)的酸的pKa為判斷依據(jù)，判明離子液體吸收SO2和CO2的功能化的方法，掌握FILs體中陰離子和陽(yáng)離子匹配的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了FILs的定向制備。 測(cè)定了FILs吸收SO2和CO2溶解度數(shù)據(jù)；基于R-K EoS狀態(tài)方程建立了的熱力學(xué)模型，區(qū)別了物理吸收和化學(xué)吸收的貢獻(xiàn)，進(jìn)而獲得了熱力學(xué)參數(shù)如化學(xué)平衡常數(shù)、亨利系數(shù)、ΔG、ΔH和ΔS等；認(rèn)識(shí)FILs吸收、解吸的規(guī)律和條件。測(cè)定了FILs的吸收熱和比熱，發(fā)現(xiàn)化學(xué)吸收作用是一種弱化學(xué)作用，揭示了FILs吸收酸性氣體的可逆特性。 考察不同溫度、壓力和溶劑下FILs吸收SO2、CO2的吸收量與時(shí)間的關(guān)系及解吸過(guò)程中SO2、CO2的解吸量與時(shí)間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)了吸收和解吸動(dòng)力學(xué)規(guī)律，在連續(xù)化吸收解吸裝置上考察了吸收和解吸之間的匹配關(guān)系。 獲得煙氣中的氧氣、炭、煙塵、CO2等因素對(duì)FILs脫硫的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)這些因素均對(duì)SO2的吸收量沒(méi)有影響，但氧氣可以緩慢氧化SO2為SO3、炭和煙塵促進(jìn)SO2的氧化，煙氣中CO2對(duì)FILs吸收SO2沒(méi)有影響；FILs吸收CO2時(shí)，SO2對(duì)CO2的吸收量有一定影響。找到了消除這些因素影響或者再生離子液體的方法。 通過(guò)本項(xiàng)目的研究，揭示FILs與SO2和CO2之間的相互作用本質(zhì)，闡明FILs結(jié)構(gòu)、FILs吸收和解吸過(guò)程與溫度之間的關(guān)系；合成了疏水性FILs和高溫脫硫、脫碳的FILs，實(shí)現(xiàn)吸收過(guò)程節(jié)能。發(fā)現(xiàn)脫碳的FILs可以用于同時(shí)脫硫，但SO2解吸困難，進(jìn)而提出分段同時(shí)吸收的方法。 建立了連續(xù)化的FILs脫除SO2和CO2的裝置，并進(jìn)行了FILs的吸收評(píng)價(jià)。本項(xiàng)目的研究表明，F(xiàn)ILs不僅能高效脫除煙氣中的SO2，而且可以回收SO2資源，研究成果為FILs用于煙氣脫硫、脫碳及硫資源化的技術(shù)提供理論支撐。

通過(guò)核輻射誘變篩檢固碳性能優(yōu)異的突變?cè)宸N，利用微藻光合生長(zhǎng)高效捕集燃煤煙氣中大量CO2，對(duì)于我國(guó)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。由于電廠燃煤煙氣流量很大、CO2濃度高達(dá)15%、含有SO2/NOX/超細(xì)粉塵等污染物，故野生型微藻一般難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效率地減排如此大量CO2，迫切需要對(duì)微藻進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新以提高減排煙氣CO2效率。本項(xiàng)目提出采用γ射線對(duì)小球藻等典型藻種進(jìn)行核輻射誘變，篩檢選育出固碳效率高、生長(zhǎng)速率快、煙氣耐受性強(qiáng)的藻種突變體，通過(guò)基因測(cè)序揭示誘變?cè)宸N固碳酶基因改良的微觀機(jī)理。設(shè)計(jì)膜式光合生物反應(yīng)器促進(jìn)誘變?cè)宸N的高密度快速生長(zhǎng)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)控促進(jìn)誘變?cè)宸N固定大流量高濃度CO2的熱動(dòng)力學(xué)反應(yīng)機(jī)制，揭示燃煤煙氣中SO2/NOX/超細(xì)粉塵等多種污染物對(duì)誘變?cè)宸N固碳反應(yīng)的影響控制原理。使誘變?cè)宸N適宜生長(zhǎng)的CO2濃度提高到15%，并且使微藻固定燃煤煙氣中CO2轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的效率提高100%。