“毛刷”结构固态胺吸附剂的设计及其捕集二氧化碳机理研究

CO2 capture with solid amine adsorbent is considered to be the most promising way. However, there are some shortcomings using existing methods for the preparation of solid amine adsorbent, limiting its industrial application. On one hand, the CO2 adsorption capacity is very low with grafting method. On the other hand, the pore is easily blocked with the impregnation method due to the conglomeration of high molecular weight of amine, while the phenomenon of leaching and evaporation of amine occurs for the low molecular weight of amine during CO2 capture process. Therefore, design and synthesis of solid amine CO2 adsorbent with brush structure are proposed on this topic. Silane coupling agent will be grafted onto carbon nanotubes (CNTs) to form brush structure. Then, the polyethyleneimine (PEI) will be highly dispersed and stabilized in the CNTs. The CO2 adsorption performance will be enhanced by increasing adsorption capacity, improving kinetic rate, and enhancing cycling stability during CO2 adsorption/desorption process. The structure relationship of carbon chain and CNTs, PEI and CNTs, and PEI and carbon chain will be studied with material characterization and molecular simulation to clarify the structure-activity relationship for CO2 adsorption/desorption. Additionally, the CO2 capture mechanism will be preliminary established on the solid amine adsorbent with brush structure through simulation of the CO2 capture process. Therefore, the solid amine adsorbent will be synthesized to satisfy the requirement of industrial application on the basis of the above mechanism.

固态胺吸附剂吸附CO2被认为是最有前景的CO2捕集方式。然而，现有方法制备的固态胺吸附剂存在限制其工业化应用的缺陷：嫁接法改性多孔材料，其CO2吸附量较低；采用浸渍法，在改性过程中高分子量胺易团聚，而在CO2吸脱附过程中低分子量胺易沥出和挥发。本课题拟设计合成“毛刷”结构的二氧化碳固态胺吸附剂，通过在碳纳米管表面嫁接硅烷偶联剂形成类似“毛刷”的结构，使聚乙烯亚胺（PEI）高度分散且稳定于“毛刷”结构的碳纳米管上，从而提高吸附剂的CO2吸附量、动力学速率以及循环稳定性。通过实验表征以及分子模拟等手段，研究硅烷碳链与碳纳米管、PEI与碳纳米管以及PEI与硅烷碳链的结构关系，阐明这种结构关系对于CO2吸脱附影响的构效关系。同时对CO2的吸脱附过程进行模拟，初步建立“毛刷”结构固态胺吸附剂捕集CO2的理论机理，为合成满足工业化应用要求的二氧化碳固态胺吸附剂提供理论依据。

众所周知，化石燃料的燃烧引起大气中二氧化碳浓度升高，导致气候变化和全球变暖。然而，大规模生物法除二氧化碳以实现气候目标的可行性仍不清楚。因此，二氧化碳捕获与封存（CCS）技术是减缓大气二氧化碳增加的有效手段。固体胺类吸附剂被认为是一种很有潜力的二氧化碳吸附剂，在此背景下，本项目主要针对“毛刷”结构的固态胺吸附剂开发、吸附机理、吸附动力学及实际应用过程展开了一系列研究，取得了如下成果：.（1）针对有机胺吸附剂合成过程中有机胺易团聚的问题，利用“毛刷”结构的十六烷基铵离子（CTMA+）可以分散材料中有机胺的特点，研制了一系列“毛刷”结构为主的高稳定固体胺吸附材料，用于二氧化碳捕集过程，提高了胺利用率从而提升吸附剂二氧化碳吸附性能。.（2）针对固体胺吸附二氧化碳过程中吸附机理问题，通过红外原位技术考察二氧化碳在吸附剂表面的吸附和脱附过程的成键变化，结合吸附剂表面性质表征结果，与吸附剂的吸附性能相关联，归纳梳理出吸附材料的“构效”关系，获得高性能吸附材料设计和制备的准则。.（3）针对二氧化碳吸脱附过程中的吸附速率问题，建立二氧化碳吸附动力学模型，确定动力学参数，结合吸附剂表面结构和物理化学性质等各因素对吸附性能的影响，从而改进吸附剂的设计和制备；同时通过操作参数变化，优化参数提高二氧化碳吸附效率，为工业应用的设计提供依据。.（4）针对固体胺二氧化碳固体吸附剂在实际应用过程中存在的问题，通过考察吸附材料的抗水性以及稳定性，实现固态胺吸附剂循环寿命的提升，推动其工业化应用。 .项目研究成果不仅对二氧化碳吸附过程研究有重要科学意义和很好借鉴作用，而且对相关企业开发碳资源循环利用新技术提供了理论和技术指导。