一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂及其制备和使用方法

1.本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂及其制备和使用方法。


背景技术：

2.目前常规的co2减排方案是co2捕集和封存综合利用技术(ccus)，即co2捕集、co2利用以及co2封存，一般常见为这三种技术的独立技术以及技术联用。
3.根据应用情景和原料气的压力高低的不同，co2捕集方法通常可划分为干式吸收法和湿式吸收法。干式吸收法通常包括吸附法和膜法，一般适用于原料气co2浓度较低的情景；湿式吸收法可分为化学吸收法和物理吸收法，化学吸收法多用于原料气co2浓度较高且压力较低或常压的场合。
4.本发明在于提出一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂的制备方法及其吸收二氧化碳与热再生应用的方法，制备工艺简便，便于大规模制备的二氧化碳相变吸收剂，应用于碳中和二氧化碳空气直接捕集领域。本发明相关的二氧化碳相变吸收剂，具有原材料廉价易得，吸收二氧化碳后产生固液相变，可在50℃-70℃的较低温度下再生的特性，可用于co2浓度为400ppm-10000ppm的空气中co2的捕集。


技术实现要素：

5.本发明的目之一是提供一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂的制备方法，具有制备简易、缩减了相变吸收剂的再生能耗的特点。
6.该低温热再生二氧化碳相变吸收剂的主要制备实现步骤如下：一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1：采用环状二胺化合物作为主体吸收剂溶质；步骤2：采用酮基类有机溶剂作为相变吸收剂溶剂；步骤3：采用真空预加热搅拌混合的方法对溶质和溶剂进行混合，形成相变吸收剂。
7.作为优选，所述步骤3具体包括：将环状溶质和溶液置于真空环境，在温度80℃-90℃下进行加热混合，形成相变吸收剂。
8.作为优选，所述步骤1中环状二胺化合物选自4,4'-亚甲基双环己胺、环己烷-1，2-二胺、环己烷-1，3-二胺、环己烷-1，4-二胺、异佛尔酮二胺中的一种；所述步骤2中酮基类有机溶剂选自丙酮、3-戊酮、2-丁酮（甲基乙基酮）、甲基异丁基甲酮、环己酮、异佛尔酮中的一种。
9.作为优选，步骤3中对环状二胺化合物溶质和酮基类有机溶剂进行真空预加热搅
拌混合时，真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。此步骤为制备该相变吸收剂并保证其吸收效能的关键步骤，不可省略。
10.本发明的另一目的是提供一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂，由上述方法制备而成。
11.本发明的第三个目的是提供上述用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂的使用方法，包括以下步骤：将相变吸收剂在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co2浓度范围为400ppm-10000ppm，相变吸收剂在吸收二氧化碳后发生相变，由澄清液变成悬浊液在50℃-70℃下通流量范围为150-300ml/min氮气进行热再生；使用气相色谱或者红外二氧化碳分析仪对二氧化碳吸收和再生效果进行检测和评估分析。
12.综上所述，本发明具有以下有益效果：(1) 制备过程只使用环状二胺化合物和酮基类有机溶剂两种化合物，原材料廉价易得，便于大规模工业化生产；(2) 该相变吸收剂再生温度仅为50℃-70℃，再生温度低，而常见的相变吸收剂再生时需要的温度条件为90℃-120℃，与常见的相变吸收剂相比，能耗节约一半以上，极大地缩减了相变吸收剂的再生能耗。
附图说明
13.图1是真空加热搅拌机的简化示意图；图2是不同实施例co2吸收突破线对比图。
14.图中，1、调节螺丝一；2、调节螺丝二；3、调节螺丝三；4、亚克力外壳；5、搅拌刀；6、装样桶；7、过滤器；8、快速夹紧装样桶转盘；9、放弃阀门；10、控制电源箱。
具体实施方式
15.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
16.本具体实施例仅对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1
17.取15.0ml丙酮，记为溶液a，在溶液a中加入650μl异佛尔酮二胺，记为相变吸收剂b，常温搅拌；对相变吸收剂进行真空预加热搅拌混合，真空加热搅拌机的真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。
18.迅速将相变吸收剂b转移到50ml容量的具支试管内，在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co
2 浓度范围为400ppm-10000ppm；在65℃下通氮气进行热再生。二氧化碳吸收及热再生效果经气相色谱或者红外二氧化碳分析仪进行检测和评估分析。
实施例2
19.取15.0ml3-戊酮，记为溶液a，在溶液a中加入650μl异佛尔酮二胺，记为相变吸收
剂b，常温搅拌；对相变吸收剂进行真空预加热搅拌混合，真空加热搅拌机的真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。
20.迅速将相变吸收剂b转移到50ml容量的具支试管内，在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co
2 浓度范围为400ppm-10000ppm；在65℃下通氮气进行热再生。二氧化碳吸收及热再生效果经气相色谱或者红外二氧化碳分析仪进行检测和评估分析。
实施例3
21.取15.0ml 2-丁酮（甲基乙基酮），记为溶液a，在溶液a中加入650μl异佛尔酮二胺，记为相变吸收剂b，常温搅拌；对相变吸收剂进行真空预加热搅拌混合，真空加热搅拌机的真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。
22.迅速将相变吸收剂b转移到50ml容量的具支试管内，在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co
2 浓度范围为400ppm-10000ppm；在65℃下通氮气进行热再生。二氧化碳吸收及热再生效果经气相色谱或者红外二氧化碳分析仪进行检测和评估分析。
实施例4
23.取15.0ml甲基异丁基甲酮，记为溶液a，在溶液a中加入650μl异佛尔酮二胺，记为相变吸收剂b，常温搅拌；对相变吸收剂进行真空预加热搅拌混合，真空加热搅拌机的真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。
24.迅速将相变吸收剂b转移到50ml容量的具支试管内，在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co
2 浓度范围为400ppm-10000ppm；在65℃下通氮气进行热再生。二氧化碳吸收及热再生效果经气相色谱或者红外二氧化碳分析仪进行检测和评估分析。
实施例5
25.取15.0ml环己酮，记为溶液a，在溶液a中加入650μl异佛尔酮二胺，记为相变吸收剂b，常温搅拌；对相变吸收剂进行真空预加热搅拌混合，真空加热搅拌机的真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。
26.迅速将相变吸收剂b转移到50ml容量的具支试管内，在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co
2 浓度范围为400ppm-10000ppm；在65℃下通氮气进行热再生。二氧化碳吸收及热再生效果经气相色谱或者红外二氧化碳分析仪进行检测和评估分析。
实施例6
27.取15.0ml异佛尔酮，记为溶液a，在溶液a中加入650μl异佛尔酮二胺，记为相变吸收剂b，常温搅拌；对相变吸收剂进行真空预加热搅拌混合，真空加热搅拌机的真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。
28.迅速将相变吸收剂b转移到50ml容量的具支试管内，在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co
2 浓度范围为400ppm-10000ppm；在65℃下通氮气进行热再生。二氧化碳吸收及热再生效果经气相色谱或者红外二氧化碳分析仪进行检测和评估分析。
29.对比例1：将异佛尔酮二胺的浓度换成400μl，其他具体操作步骤与实施例6相同。结果列于
表1中。评估异佛尔酮二胺在低于实施例650μl，相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率。
30.对比例2：将异佛尔酮二胺的浓度换成850μl，其他具体操作步骤与实施例6相同。结果列于表1中。评估异佛尔酮二胺在高于实施例650μl，相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率。
31.对比例3：将异佛尔酮二胺换成4,4'-亚甲基双环己胺，其他具体操作步骤与实施例6相同。结果列于表1中。评估将异佛尔酮二胺换成换成4,4'-亚甲基双环己胺，相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率。
32.对比例4：将异佛尔酮二胺换成环己烷-1，2-二胺，其他具体操作步骤与实施例6相同。结果列于表1中。评估将异佛尔酮二胺换成环己烷-1，2-二胺，相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率。
33.对比例5：将异佛尔酮二胺换成换成环己烷-1，3-二胺，其他具体操作步骤与实施例6相同。结果列于表1中。评估将异佛尔酮二胺换成环己烷-1，3-二胺，相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率。
34.对比例6：将异佛尔酮二胺换成环己烷-1，4-二胺，其他具体操作步骤与实施例6相同。结果列于表1中。评估将异佛尔酮二胺换成环己烷-1，4-二胺，相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率。
35.对比例7：将丙酮换成换成二甲基亚砜(dmso)，其他具体操作步骤与实施例6相同。结果列于表1中。评估将酮基溶剂换成二甲基亚砜(dmso)，相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率。
36.对比例8：仅采用常温搅拌混合的方法对相变吸收剂进行制备，其他具体操作步骤与实施例6相同，结果列于表1中。评估常规的制备方法和真空预加热制备方法对于相变吸收剂溶液体系的突破时间和解吸率的影响。
37.如图1所示，上述实施例和对比例使用的真空加热搅拌机包括调节螺丝一1、调节螺丝二2、调节螺丝三3、亚克力外壳4、搅拌刀5、装样桶6、过滤器7、快速夹紧装样桶转盘8、放弃阀门9、控制电源箱10。
38.本发明开发了一种可低温热(50℃-70℃)再生的相变吸收剂，具有再生能耗低的技术优点。从实施例1-6可以看出，在本发明的相变吸收剂体系中，使用酮基有机溶剂作为相变吸收剂的溶剂，异佛尔酮作为相变吸收剂中溶液体系，综合效能上突破时间和解吸率均有优势。从对比例1-8可以看出，在本发明的相变吸收剂体系中，异佛尔酮二胺综合效能上突破时间和解吸率均有优势，同时区别于常温混合搅拌的方法，真空预加热搅拌的方法可以将异佛尔酮二胺的效能发挥最优，在预制备过程中有独特的技术优势。
39.本发明中突破时间定义为二氧化碳吸收过程中，由相变吸收剂开始吸收co2计时，至co2浓度开始回弹所需要的时间。
40.本发明中吸收量，解吸量以及解吸率计算如下:吸收量η1:
41.其中，q1为设置浓度的co2通气量，和分别为co2初始浓度和co2随时间变化浓度。
42.解吸量η2:
43.其中，q2为吸收饱和后解吸时n2通气量，为解吸时co2随时间变化浓度。
44.解吸率为：η=(η2/η1)x100%表1案例co2吸收量/mmol/g突破时间(min)解吸率(%)实施例10.878178.6实施例20.988784.7实施例31.0410093.6实施例40.838289.7实施例51.047086.4实施例61.1211897.4对比例11.104998.7对比例21.0913262.4对比例31.087489.3对比例41.017886.1对比例50.997784.6对比例61.008182.4对比例71.098447.9对比例80.735478.9。

技术特征：
1.一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用环状二胺化合物作为主体吸收剂溶质；步骤2：采用酮基类有机溶剂作为相变吸收剂溶剂；步骤3：采用真空预加热搅拌混合的方法对溶质和溶剂进行混合，形成相变吸收剂。2.根据权利要求1所述的一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：将环状溶质和溶液置于真空环境，在温度80℃-90℃下进行加热混合，形成相变吸收剂。3.根据权利要求1所述的一种用于空气捕集的低温再生二氧化碳相变吸收剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中环状二胺化合物选自4,4'-亚甲基双环己胺、环己烷-1，2-二胺、环己烷-1，3-二胺、环己烷-1，4-二胺、异佛尔酮二胺中的一种；所述步骤2中酮基类有机溶剂选自丙酮、3-戊酮、2-丁酮（甲基乙基酮）、甲基异丁基甲酮、环己酮、异佛尔酮中的一种。4.根据权利要求3所述的一种用于空气捕集的低温再生二氧化碳相变吸收剂的制备方法，其特征在于，步骤3中对环状二胺化合物溶质和酮基类有机溶剂进行真空预加热搅拌混合时，真空度设为-0.1mpa，真空预加热温度为80℃，转速为720rpm，搅拌时间为30min。5.一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂，其特征在于，由上述权利要求1-4任意一项所述的方法制备而成。6.根据权利要求5所述的一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂的使用方法，其特征在于，将相变吸收剂在常温20-30℃下对空气中co2进行捕集吸收，其中co2浓度范围为400ppm-10000ppm；在50℃-70℃下通流量范围为150-300ml/min氮气进行热再生；使用气相色谱或者红外二氧化碳分析仪对二氧化碳吸收和再生效果进行检测和评估分析。

技术总结
本发明涉及气体分离技术领域，尤其涉及一种用于空气捕集的低温热再生二氧化碳相变吸收剂及其制备和使用方法，包括以下步骤：采用异佛尔酮二胺作为主体吸收剂，再将其他有机溶剂与其混合调配形成复合二氧化碳相变吸收剂，本发明所制备的复合二氧化碳相变吸收剂具有低温再生的特性，复合吸收剂能够在60℃下完全再生，并在CO2浓度为400ppm-10000ppm的空气中具有良好的捕集效能，该复合吸收剂原料易于采购，再生能耗低，使用方便，制备工艺简单，适用于大规模工业化生产。于大规模工业化生产。于大规模工业化生产。


技术研发人员：程金平 曾庆瑞 龚佑沄 龙明策 宋盈阳 郭煜彬 倪启国 周馨睿
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/7/20