离子液体支撑液膜对CO2吸附行为的研究文献综述

文献综述

CO₂等温室气体在大气中直接排放是导致温室效应的主要原因之一，如何减少CO₂的排放以此来避免由温室效应引起的各种灾害已经成为一个全球关注和亟待解决的重要问题。在诸多 CO₂减排措施中，CO₂捕集与封存（CCS）是有效的方法之一，CO₂的捕集成本占CCS的四分之三。因此， CO₂捕集分离是整个技术的核心^[1]。

传统捕集CO₂的方法都是让气体通过装了吸附材料（如纤维，金属氧化物，陶瓷，介孔材料等）的吸附设备来达到去除CO₂的目的。Alonso等人对比了不同材料对CO₂的吸附效果，结果表明：四氧化三铁-石墨烯和金属有机骨架材料(MOF-177)吸附能力最强^[2]。Jin Zhou等人以碱金属作为活化离子，通过调节其大小来调节活化能力，将活化离子从Li 变化到Cs 时，可在微埃尺度下（0.60-0.76nm范围内）精确地调节超微孔碳的孔尺寸，从而达到更佳的捕集CO₂目的^[3]。然而这些固体吸附材料在捕集CO₂过程中具有易造成二次污染、循环性能差、吸收能耗大等缺点。

最近的研究表明，离子液体（ILS），在捕集CO₂方面颇有应用前景：离子液体蒸气压低，不易燃烧，化学稳定性高以及近乎无限循环使用的化学性能，使其可以作为极佳的CO₂捕集材料。离子液体分子可以接枝不同的功能性基团，表现出不同的特性：例如，含有碱性基团（minus;NH₂）的离子液体可以作为CO₂的优良吸收剂。Cristian Moya等人通过实验，发现1-丁基-3-甲基咪唑鎓乙酸盐[bmim] [acetate]是捕集CO₂的优良材料，将离子液体填充在一种胶囊碳材料的中空结构中，制备封装离子液体encapsulating ionic liquids (ENIL)。ENIL具有传统IL优良的热力学性质，由于胶囊碳材料使离子液体均匀分散，从而与CO₂具有更大的接触面积，使得ENIL吸收CO₂的速率大大增加。而且，ENIL吸收CO₂的反应是可逆反应，该材料具有可再生性，解决了传统材料对CO₂的低吸收率和溶剂再生困难的问题^[4]。Shannon M. Mahurin 等人研究了低摩尔体积的离子液体对CO₂和N₂的分离效果，制备了具有CO₂分离性能的离子液体[emim][B(CN)₄]，并通过改变离子液体中腈基的含量，来增强其分离CO₂的能力^[5]。

然而，用IL捕获CO₂有两个问题：一是由于IL的高粘度，气液传质速率很低；二是离子液体的成本很高。近年来，人们发现IL固定在多孔固体表面形成离子液体液体支撑液膜可以显著地提高CO₂在ILs中的传质速率，减少CO₂分离所需的离子液体量^[6]。Hang等人发现一些离子液体置于聚合物表面比主体相离子液体具有更高的CO₂溶解度和吸收速率。相较于主体相室温离子液体（RTIL），吸附于聚合物表面的RTIL吸收CO₂量可提升两倍。以聚偏氟乙烯作为支撑底，固载离子液体[emim][B(CN)₄]，得到了离子液体支撑液膜，测量发现随着离子液体含量的增加，气体透过率和选择性增强^[7]。Liliana C.等人对不同膜的CO₂分离效率进行了评价，详细讨论和评价了离子液体支撑液膜，聚合物/离子液体复合膜，凝胶离子液体膜和聚离子液体膜的化学和结构特点，并考察了其吸收CO₂的效果，得出了结论：置于聚合物表面的离子液体支撑液膜对CO₂的吸附性能最佳^[8]。Trevor K. Carlisle等人合成含有烷基酯腈的三咪唑室温离子液体以及具有炔官能团的单咪唑室温离子液体，并向这些液体通入CH₄、N₂和CO₂，以测试其对CO₂的吸附分离能力，结果说明炔和腈官能团能有效增加RTIL对CO₂/CH₄和CO₂/N₂中CO₂的溶解度^[9]。Seong Uk Hong等人研究了二元气体渗透过聚合物离子液体凝胶增加的分离效率，具体是将室温离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）分散在聚合物（聚偏氟乙烯-六氟共聚物）中制成聚合物-离子液体凝胶膜。结果发现随着聚合物凝胶中离子液体含量的增加，气体在离子液体/聚合物凝胶中的渗透率受到影响，从而改变了离子液体/聚合物对气体的选择性 ^[10]。Jong 等人将等摩尔量的离子液体和1,8-diazabicyclo-[5.4.0]undec-7- ene (DBU)“超强基底”吸附在中空纤维的孔壁上，得到较高的CO₂吸附容量和较快的CO₂吸附动力学速率，相比购买的Torlon^R基底，CO₂的吸附体积容量和吸附速度均提高了1倍左右。将离子液体与聚合物粉末复合形成的离子液体支撑液膜在实现CO₂快速吸收方面也具有很大的潜在应用价值^[11]。Xianfeng Wang等人合成了1-乙基-3-甲基咪唑鎓赖氨酸（[EMIM] [Lys]），并将其固定到多孔聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球支持体上，用于捕集燃烧后CO₂。 [EMIM] [Lys]表现出良好的热稳定性，可以很容易地固定到多孔微球上。值得注意的是，[EMIM] [Lys] -PMMA吸附剂在[EMIM] [Lys]加载后仍然能保持其多孔结构并显示出高效的动力学性能。当在40°C下通入CO₂时，[EMIM] [Lys] -PMMA吸附剂表现出极高的CO₂容量（1.67 mmol /（g吸附剂））。捕集过程可以分为两个阶段：吸附剂表面的CO₂吸附以及CO₂扩散进入吸附剂进一步吸附。两阶段CO₂吸附的计算活化能分别为4.1和4.3 kJ / mol。此外，多次循环测试表明，该吸附剂具有良好的长期稳定性。^[12]。Saunab Ghosh等人研究了材料比表面积和总孔容对高压（le;30bar）下CO₂吸收能力和选择性的影响。具体是采用不同温度下的KOH氧化活化活性炭前驱体制备多孔碳（PC），N掺杂PC（NPC）和S掺杂PC（SPC）材料。结果发现N或S掺杂的多孔碳材料对CO₂有高吸收和良好的选择性。此外，比表面积gt; 2000 m²/g，并且总孔容gt; 1.0 cm³/g，且碳含量lt;90wt％的复合材料在30bar高压下具有最佳的CO₂选择性 ^[13]。Paul Scovazzo等人研究了离子液体支撑液膜(SILM)对CO₂气体的选择性和渗透性性能，预测了SILM的最大CO₂渗透率和CO₂/N₂和CO₂/CH₄分离选择性的Robinson上限。并提出，之前的报道中通过对RTIL支撑液膜修饰官能团来增强溶质/溶剂相互作用，并不比未官能化的RTIL支撑液膜具有更好的分离性能。因此对功能化修饰的RTIL支撑液膜的研究还需要考虑溶剂/溶剂相互作用的变化，而不仅仅是溶质/溶剂相互作用^[14]。H. A. Mannan等人对离子液体-聚合物膜（ILPM）透气性的预测对于高效气体分离膜材料的设计具有重要意义。具体是基于文献数据，分析了通过离子液体-聚合物复合膜预测CO₂气体渗透性的可用模型，并利用Maxwell模型对其进行修正，提高预测的准确性^[15]。Wen等人研究了二氧化钛（P25）基底上的IL液膜厚度对离子液体支撑液膜对CO₂吸收/解吸性能的影响。研究结果表明，IL液膜厚度对于提高CO₂传质速率非常关键，其中纳米级的膜厚是保证优异CO₂吸附性能的前提条件，并进一步定量揭示了IL液膜厚度对CO₂吸附性能的影响，定量分析结果显示当离子液体支撑液膜膜厚在25-100nm范围内，此时CO₂吸收性能最佳^[16]。

Fujian Liu等人研究了用无溶剂方法合成氮掺杂介孔聚合物（N-OMPs），这是通过将聚合物前驱体与嵌段共聚物模板混合来实现的，具体是在140-180^oC，在高压釜内热反应，再在360^oC下氮气气氛下，除去模板。这种制备的功能性多孔聚合物快捷方便，由于没有使用溶剂或催化剂，具有环境友好性。合成的N-OMPs及其衍生的催化剂表现出很好的吸收CO₂的能力和优异的CO₂/N₂选择性，具有将CO₂催化转化为环状碳酸酯的优良活性。同时，这种无溶剂自组装的合成技术也适用于介孔SiO₂，TiO₂晶介孔材料，等多孔材料的合成，具有广泛的应用性质^[17]。

参考文献

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