離子液體：“釋放”二氧化碳

二氧化碳（CO2）是大氣中必不可少的成分，并且是生命活動(dòng)和生產(chǎn)的重要參與者。但是，與此同時(shí)，作為引起全球溫室效應(yīng)的“罪魁禍?zhǔn)住敝?，二氧化碳濃度的失控也?huì)帶來災(zāi)難。當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月25日，世界氣象組織（WMO）在日內(nèi)瓦發(fā)布的新版《溫室氣體公報(bào)》指出，2018年全球平均CO2濃度已達(dá)到407.8ppm，在1750年工業(yè)化之前為147％。今年5月11日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）位于夏威夷的莫納羅阿氣象站監(jiān)測(cè)到，大氣CO2濃度達(dá)到415.26ppm，這是人類歷史上大氣CO2濃度首次超過415ppm。人類已經(jīng)意識(shí)到需要對(duì)“不良”二氧化碳進(jìn)行“再教育”。

不幸的是，傳統(tǒng)的工藝路線具有諸如高成本，高能耗和低效率的問題。與這些費(fèi)錢的“老學(xué)者”相比，中國科學(xué)院過程工程研究所離子液體與綠色工程研究所的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，離子液體可能是“再教育”的最佳導(dǎo)師。 ”。二氧化碳捕集呼喚新思路根據(jù)國際能源署（IEA）的統(tǒng)計(jì)，由于大規(guī)模使用化石燃料，全球每年向大氣中排放的二氧化碳總量約為323億噸，超出了全球環(huán)境的能力。如何控制大氣中的二氧化碳含量？一方面，通過限制碳排放和推廣低碳技術(shù)，從源頭上減少了二氧化碳排放；另一方面，工業(yè)氣體中的二氧化碳被捕獲和利用。在“十三五”規(guī)劃中，中國設(shè)定了減排目標(biāo)，將單位國內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放量減少18％，促進(jìn)二氧化碳的捕集和資源利用也成為一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。但是，在相當(dāng)長(zhǎng)期以來，二氧化碳捕獲和資源利用技術(shù)未能取得實(shí)質(zhì)性突破。為了減少捕獲二氧化碳的能量消耗，必須開發(fā)新的吸收劑。為此，研究所的離子液體小組針對(duì)國家減少碳排放的主要戰(zhàn)略需求，圍繞離子液體清洗過程，形成了從基礎(chǔ)研究到工業(yè)應(yīng)用的透徹研究思路，并提出了一種新的離子液體方法來解決這一問題。捕獲和回收二氧化碳。技術(shù)。尋找合適的離子液體離子液體是一種由在室溫下呈液態(tài)的陰離子和陽離子組成的新型介質(zhì)。獨(dú)特的陰離子和陽離子結(jié)構(gòu)使其具有低揮發(fā)性，高溶解度和選擇性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)。它可以在較大的溫度，壓力和組成范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的CO2排放。但是，由于它們的多樣性和特殊結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的溶劑篩選方法通常不適用。同時(shí)，離子液體中的氣體轉(zhuǎn)移行為與常規(guī)有機(jī)溶劑中的氣體轉(zhuǎn)移行為非常不同，并且不可能使用通用的流動(dòng)轉(zhuǎn)移模型來設(shè)計(jì)通用的工業(yè)設(shè)備。為了更好地預(yù)測(cè)離子液體的物理性質(zhì)，研究小組首先提出了一種基于“離子片劑”的預(yù)測(cè)方法，該方法實(shí)現(xiàn)了離子液體的高效篩選和多目標(biāo)優(yōu)化的逆向設(shè)計(jì)，并開發(fā)了咪唑，吡啶，季膦，胍數(shù)十種類型的吸收劑（例如胺，氨基和二氨基）適合于CO2的捕集和分離。 CO2的吸收能力和反應(yīng)速率得到顯著提高。

與有機(jī)胺法相比，建成的80,000立方米/年沼氣脫碳裝置可實(shí)現(xiàn)85％的CO2去除率并將能耗降低30％。同時(shí)，開發(fā)的離子型抗降解劑可大大降低吸收劑在運(yùn)行過程中的降解性能，大大提高吸收劑的運(yùn)行穩(wěn)定性，并延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)，研究人員對(duì)離子液體系統(tǒng)中二氧化碳的傳質(zhì)過程進(jìn)行了深入研究，并建立了相關(guān)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)離子液體反應(yīng)器中氣泡直徑和位置的測(cè)量。并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)液相中二氧化碳的濃度分布。他們還開發(fā)了一種基于離子液體的脫碳和節(jié)能新方法，即離子液體多級(jí)閃蒸工藝，與傳統(tǒng)的醇胺工藝相比，它可以節(jié)省60％以上的能量。基于這一技術(shù)，預(yù)計(jì)中國將建造世界上第一個(gè)用于離子液體脫碳的工業(yè)示范裝置。屆時(shí)，CO2捕獲率將大于90％，CO2的純度將大于99％。與傳統(tǒng)的MEA工藝相比，投資和捕獲集成成本將降低30％。讓懶惰的二氧化碳變成活潑的二氧化碳捕獲還沒有結(jié)束。實(shí)現(xiàn)低成本，高效和綠色資源利用是減緩溫室效應(yīng)的基本方法。然而，CO 2是具有強(qiáng)熱力學(xué)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)惰性的氣體。如何有效激活它是許多科學(xué)家感興趣的話題。研究表明，離子液體可以激活CO2分子，尤其是在電化學(xué)還原CO2的過程中。因此，離子液體中CO 2的活化和轉(zhuǎn)化也已成為國際關(guān)注的研究前沿和熱點(diǎn)。研究機(jī)制。一方面，由于離子液體對(duì)CO 2的強(qiáng)溶解性，可以有效提高反應(yīng)相中CO 2分子的濃度，從而提高平衡轉(zhuǎn)化率。另一方面，離子液體與CO2之間的強(qiáng)氫鍵和靜電具有適度的化學(xué)作用，CO2雙鍵被部分激活，鍵角和能量會(huì)發(fā)生顯著變化。研究所的離子液體小組對(duì)離子液體在電催化還原CO2中的機(jī)理進(jìn)行了更深入和具體的研究。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一系列功能化的咪唑基離子液體，用于將CO2電化學(xué)還原為甲酸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)離子液體相比，CO 2在官能化離子液體[Bmim] [124Triz]中的反應(yīng)效果遠(yuǎn)高于常規(guī)離子液體。功能化的離子液體對(duì)二氧化碳具有良好的活化作用，降低了CO2對(duì)CO2自由基的反應(yīng)潛能。同時(shí)，在功能化的離子液體介質(zhì)中，離子和反應(yīng)性分子在電極表面的轉(zhuǎn)移速率更快。

離子液體分子運(yùn)動(dòng)圖CO2綠色使用“化學(xué)物質(zhì)”表示，當(dāng)前的CO2轉(zhuǎn)化和利用主要是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生甲醇/一氧化碳，乙基纖維素（EC）/碳酸二甲酯（DMC）/尿素和聚合物液體燃料和化學(xué)藥品。這些中間產(chǎn)物可以進(jìn)一步合成大量或重要的化學(xué)物質(zhì)，例如醇醚，甲烷燃料，乙烯/乙二醇/碳酸鹽/聚碳酸酯/異氰酸酯。 15年后，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了生產(chǎn)乙二醇和CO2作為DMC聯(lián)產(chǎn)乙二醇的原料的技術(shù)。與傳統(tǒng)的環(huán)氧丙烷酯交換法和甲醇氧化羰基化法相比，其技術(shù)路線的核心是以乙烯氧化成環(huán)氧乙烷為原料，使之在離子液體催化劑的作用下產(chǎn)生。與環(huán)氧乙烷的環(huán)加成反應(yīng)生成EC，然后與甲醇反應(yīng)生成DMC和乙二醇。通過應(yīng)用該技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比，生產(chǎn)成本降低了30％，可以實(shí)現(xiàn)100％的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)和CO2的溫和轉(zhuǎn)化，有效解決了能耗高，效率低，難度大的問題?，F(xiàn)有DMC和乙二醇工藝的污水處理。 作為綠色化學(xué)應(yīng)用的成功實(shí)例，該技術(shù)對(duì)碳酸鹽和乙二醇行業(yè)具有普遍意義。根據(jù)中科院過程工程研究所研究員程為國的說法，該團(tuán)隊(duì)于2014年與江蘇奧克化工有限公司簽訂了建造萬噸萬噸工業(yè)示范裝置的合同，并成立了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)專利。該技術(shù)于2018年底通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定。評(píng)估委員會(huì)一致認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)成就屬于“世界第一和國際領(lǐng)先者”，它為二氧化碳資源的利用，現(xiàn)有乙二醇工藝的節(jié)能以及環(huán)氧乙烷產(chǎn)業(yè)鏈的擴(kuò)展開辟了具有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的新途徑。研究人員正在進(jìn)行有關(guān)離子液體吸收劑性能的連續(xù)評(píng)估實(shí)驗(yàn)。 CO2的生物催化作用更為“酶促”。在自然界中，CO2的轉(zhuǎn)化是典型的生物催化過程，這取決于生物酶。然后，科學(xué)家們嘗試使用生物酶制劑來利用二氧化碳。與二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇的化學(xué)過程相比，生物催化技術(shù)的應(yīng)用可以在溫和的條件下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為無機(jī)物或有機(jī)物，具有較高的選擇性，并且反應(yīng)過程是綠色的，具有潛在的發(fā)展前景。例如，利用甲酸，甲醛和甲醇脫氫酶催化CO2轉(zhuǎn)化為甲醇的生產(chǎn)是非常重要的環(huán)保清潔能源生產(chǎn)工藝，不僅滿足了開發(fā)新碳資源的要求，而且從根本上解決了CO2排放問題，也恢復(fù)了生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)了綠色生態(tài)能源資源和新型人工碳循環(huán)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，離子液體具有獨(dú)特的特性，可通過特殊的氫鍵和微環(huán)境高效吸附CO2并穩(wěn)定酶結(jié)構(gòu)，這可為生物催化轉(zhuǎn)化CO2提供新途徑。在離子液體法中提高CO 2的生物催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展和跨學(xué)科交叉學(xué)科的發(fā)展，目前，國內(nèi)外都在進(jìn)行脫氫酶偶聯(lián)電化學(xué)催化，并將CO 2轉(zhuǎn)化為甲酸，甲醛，甲醇等。通過仿生光反應(yīng)也取得了重大突破。中國科學(xué)院過程工程研究所已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種通過離子液體將CO2催化轉(zhuǎn)化為甲醇的新工藝。與常規(guī)緩沖系統(tǒng)相比，在20％的離子液體[CH] [Glu]中，CO2濃度和甲醇產(chǎn)率提高了。他們構(gòu)建的固定有生物膜的酶反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過程的原位催化和產(chǎn)物的同時(shí)分離。這些發(fā)現(xiàn)在離子液體增強(qiáng)酶將CO 2催化轉(zhuǎn)化為甲醇的新工藝的整套工程技術(shù)中，進(jìn)一步的突破和進(jìn)展。