一种耦合超重力强化CO2捕集的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂及其制备方法和应用

本发明属于绿色低碳碳捕集，具体涉及一种耦合超重力强化co2捕集的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、工业烟气燃烧后捕集是碳捕集、利用与封存（ccus）核心技术路线。目前工业化主流co2捕集介质为传统含水醇胺溶液（mea、mdea、dea水溶液等），该类体系存在四大核心技术瓶颈：

2、1. 体系含水率极高（30%~70%），再生解吸阶段需要消耗大量热量汽化水分，再生能耗占整套捕集工艺运行成本60%以上，经济性差；干旱地区大规模应用会产生巨大水资源消耗；

3、2. 低浓度co2工况下气液传质速率低，传统鼓泡反应器气液接触面积有限，吸收容量低、设备占地面积大；

4、3. 水溶液体系对碳钢、不锈钢设备腐蚀性强，溶剂高温再生时易挥发、热降解，长期循环运行损耗大；

5、4. 常规醇胺水溶液吸收剂多次循环后吸收性能不可逆衰减，运维成本高。

6、现有技术中低水醇胺复合吸收剂仍保留10%~20%水分，未彻底解决水汽汽化带来的再生能耗问题；常规低共熔溶剂仅在鼓泡装置中开展吸收实验，未解决低黏度、高传质效率协同匹配问题，单独使用时黏度大、传质阻力高，难以直接工业化应用；同时现有吸收剂未结合超重力过程强化技术，无法大幅提升低浓度co2捕获效率。

7、非离子型低共熔溶剂作为新型绿色无水溶剂，兼具离子液体低挥发、热稳定、可设计的优势，且原料廉价、合成简单；但纯非离子型低共熔溶剂黏度极高，单独用于co2吸收时气液传质阻力大、吸收速率受限。因此，开发一种无水低共熔复合吸收剂，同时配套超重力旋转填料床强化气液传质，实现“零水耗、低再生能耗、高吸收容量、可过程强化”一体化，是突破现有烟气碳捕集瓶颈的关键。

技术实现思路

1、本发明针对现有含水醇胺吸收剂再生能耗高、耗水量大、低浓度co2吸收效率差，纯低共熔溶剂黏度大、传质慢，且缺乏高效过程强化配套工艺等问题，提供一种耦合超重力强化co2捕集的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂及其制备方法和应用。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种耦合超重力强化co2捕集的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂，包括如下质量百分数的组分：15%的氢键受体醇胺、15%的氢键供体四氢喹啉以及70%的物理助溶剂二甲基亚砜；所述吸收剂的含水率≤0.5%。

4、进一步地，所述醇胺为空间位阻胺2-氨基-2-甲基-1-丙醇；所述四氢喹啉为1，2，3，4-四氢喹啉。

5、一种耦合超重力强化co2捕集的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂的制备方法，包括如下步骤：

6、s1、称取二甲基亚砜，装入带有搅拌装置的耐腐蚀密封容器；

7、s2、向密封容器中加入氢键供体，常温密封搅拌3-5min至完全溶解；

8、s3、继续向密封容器中加入氢键受体，在25-35℃条件下密封搅拌8-12min，得到均一透明的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂，并密封避光保存于阴凉干燥处。

9、本发明的目的还在于提供一种醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂应用于耦合超重力强化co2捕集。

10、进一步地，所述醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂应用于耦合超重力强化co2捕集，包括如下步骤：

11、s1、将醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂通入超重力旋转填料床；

12、s2、将含co2的混合气从超重力旋转填料床底部进气；

13、s3、调节超重力旋转填料床的转速，常温常压下，完成气液逆流接触吸收；

14、s4、当超重力旋转填料床的进出口co2浓度持平后，收集饱和的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂送入解吸装置再生，解吸后的醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂循环送入超重力旋转填料床重复使用。

15、进一步地，s1中，所述超重力旋转填料床的液体循环流量为55-65l/h。

16、进一步地，s2中，所述混合气中co2的体积浓度为10-15%。

17、进一步地，s3中，所述超重力旋转填料床的超重力因子为25-35。

18、本发明中，醇胺类非离子型低共熔复合吸收剂由空间位阻胺2-氨基-2-甲基-1-丙醇（amp）、氢键供体1，2，3，4-四氢喹啉（thq）、低黏度物理助溶剂二甲基亚砜（dmso）三元组分复配构成，三类物质协同耦合、分工配合实现低浓度co2高效捕集，各组分功能如下：

19、amp为体系核心化学捕获活性组分，作为空间位阻胺，分子内伯胺活性位点可在低浓度co2工况下与co2发生两性离子定向化学反应，稳定生成氨基甲酸酯类产物，大幅提升体系co2反应动力学速率与饱和吸收负载量，解决传统叔胺吸收速率慢、伯胺易降解的短板。

20、thq作为氢键供体与amp构建非离子低共熔溶剂骨架，依靠分子间氢键网络束缚、稳定amp与co2反应生成的质子化中间体，避免难溶性氨基甲酸盐大量析出堵塞设备；同时thq沸点高、挥发性极低，在循环升温解吸过程中几乎无溶剂逃逸损耗，强化吸收剂整体热稳定性与循环使用寿命。

21、dmso为物理辅助功能溶剂，兼具降黏与物理溶解双重作用：其一，纯amp-thq低共熔溶剂本体黏度极高，dmso可大幅降低液相整体黏度，减小气液两相传质阻力，提升气液接触传质效率；其二，dmso分子带有强极性s=o键，依靠偶极相互作用物理溶解部分co2，与amp化学吸收形成协同增益；同时dmso热稳定性优异、不参与胺基与co2的化学反应，不会干扰主捕集反应。

22、本体系完全摒弃传统吸收剂大量水分，整体含水率严格控制在0.5%以下，彻底消除再生阶段水汽汽化带来的巨额热量损耗，不存在水循环流失、设备水汽腐蚀等问题；amp、thq、dmso三者互溶后形成单一均相透明液相，无分层、无沉淀，在多次吸收-解吸循环过程中体系物性保持稳定，可适配工业低浓度烟气等各类低浓度气源长效连续分离。

23、本发明的有益效果如下：

24、1. 完全无水体系，彻底消除水资源消耗：区别于含水、少水醇胺吸收剂，本体系含水率≤0.5%，调配与运行全程无需大量去离子水，适配干旱缺水地区、户外分布式直接空气捕集小型装置，从根源解决传统胺液耗水量大的痛点。

25、2. 再生能耗大幅降低，运行成本缩减：传统含水醇胺再生需要额外提供热量汽化大量水分，本体系无游离水，解吸阶段仅需分解氨基甲酸酯，同等胺含量下再生供热能耗显著下降，有效降低整套ccus装置长期能源投入与运维成本。

26、3. 本吸收剂具备优异的co2工况适配性能，依托amp空间位阻胺的高反应活性，在10%~15%工业烟气co2条件下可维持快速吸收速率与高饱和容量，适用于电厂、钢铁行业烟气脱碳等主流工业碳捕集场景。

27、4. 耦合超重力设备实现传质过程强化，处理效率翻倍：本吸收剂可配套超重力旋转填料床rpb使用，在最优超重力因子β=30条件下，气液接触界面大幅增加，co2饱和吸收容量较超重力因子β=0的工况提升50%，同等设备体积下可处理更多含碳气体，设备占地更小、单机处理能力更强。

28、5. 循环稳定、溶剂损耗低、设备腐蚀性弱：无水环境大幅缓解胺液对碳钢、不锈钢设备的腐蚀；thq氢键骨架抑制amp高温挥发与热降解，经多次吸收-解吸循环后吸收容量衰减幅度低，5轮循环仍保留85%以上初始吸收能力，溶剂年补充量远低于传统mea水溶液。

29、6. 化学-物理协同吸收，总捕集容量更高：体系依靠amp化学固定为主、dmso物理溶解为辅双重机制协同捕获co2，超重力因子β=30工况下饱和吸收容量可达0.1542mol的co2/mol吸收剂。

30、7. 工艺兼容度广，改造落地难度低：既可直接用于现有鼓泡吸收塔、填料塔改造替换原有含水胺液，也可配套超重力旋转填料床新型强化设备；吸收常温常压即可进行，解吸温度仅100~120℃，工艺操作窗口温和，现有碳捕集装置无需大规模硬件改造即可完成工业化应用。