低共熔溶剂的酸性调控及协同捕集氨气研究

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氨气(NH3)是典型的有毒有害大气污染物,也是化肥、制药等领域的重要化工原料,对其净化分离回收具有重要的科学和现实意义。传统工业采用酸法或水法吸收氨气通常会带来污染大、能耗高、腐蚀性强等问题,近年来,低共熔溶剂(DESs)成为气体分离研究领域的一个新热点,不仅易制备、低成本而且吸收性能好。考虑到NH3分子中的孤电子对且基于DESs结构可调这一性质,本论文依靠碱性气体酸性溶剂捕集原则,针对氨气弱碱性的特点系统调控低共熔溶剂各组分的酸度,设计了一系列二元弱酸性低共熔溶剂用于探索与氨气之间的强吸收作用,具体如下:首先以1-乙基-3-甲基氯化咪唑([emim]Cl)为氢键受体构建一系列不同酸度氢键供体的弱酸性低共熔溶剂,其氢键供体酸性调控在DMSO中的pKa值范围为8.2-18.6,通过对不同弱酸性DESs并进行表征,系统研究了DESs对NH3的吸附和解吸性能,并与HBDs的酸化度进行了相关性研究,结果表明NH3的溶解度依次为:[emim]Cl+Tetz(1:1)>[emim]Cl+Ben Triz(1:1)>[emim]Cl+Triz(1:1)>[emim]Cl+Si(1:1)>[emim]Cl+Ph(1:1)>[emim]Cl+Ben Im(1:1)>[emim]Cl+Im(1:1),其吸收化学反应平衡常数ln K与对应HBDs的酸度几乎线性相关,本工作对NH3捕集技术的发展具有指导意义。其次,设计了一系列由乙胺盐酸盐(EaCl)和甘油(Gly)组成的低共熔溶剂(DESs)利用EaCl的弱酸性和Gly中的多个羟基,使其能够与NH3发生强烈的氢键作用与lewis酸碱作用,实验测定了不同温度和压力下制备的EaCl+Gly混合物中NH3的吸收量。结果表明,EaCl+Gly混合物的NH3容量相当可观,在298.2 K和106.7 k Pa时达到最大值9.631 mol/kg,超过了大多数吸收物的NH3容量。最后考虑到工业流中NH3的浓度通常较低(3~15体积%),选用都具有一定弱酸性的乙胺盐酸盐和苯酚制备了一类新型的二元DESs,结果表明EaCl+PhOH DESs的粘度较低,293.2 K时仅为4.4~7.5 c P,这对其在气体吸收中的实际应用具有重要意义;其次NH3在EaCl+PhOH DESs中的吸收非常快,仅60 s就开始趋近平衡,并表现出明显的化学行为;由于EaCl和PhOH均表现出较强的供氢键能力,我们推导出了一个双位点反应平衡热力学模型;同时EaCl+PhOH DESs表现出相当高的NH3吸收能力,特别是在低压下,其中在298.2 K和低压8.4 k Pa时吸收容量就达到4.795 mol/kg,在工业流程NH3的捕获方面有很大的应用前景。本论文设计合成的弱酸性DESs黏度低,价格低廉,合成简单,且在NH3的吸收分离领域展现出优异的性能,同时考虑到良好可逆性,因此认为这一系列低共熔溶剂为工业流程NH3的捕获方面提供了极大的参考价值。
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