[发明专利]一种羟烷基哌嗪基碳捕集剂的制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种羟烷基哌嗪基碳捕集剂的制备方法与应用，涉及COsubgt;2/subgt;捕集技术领域。该碳捕集剂以式A或式B所示结构的羟烷基哌嗪基有机胺为主要成分。本发明所设计的羟烷基哌嗪基有机胺在结构上增加了分子内仲/叔胺基数量进而增大分子内空间位阻，降低吸收COsubgt;2/subgt;所得胺基甲酸盐的稳定性，且羟烷基的引入有效提高了有机胺的溶解性能及热稳定性。本发明的羟烷基哌嗪基有机胺经复配工艺制备的碳捕集剂，兼具吸收速率较高、吸收容量高、再生性能好和解吸能耗低等特点，可应用于工业烟气中COsubgt;2/subgt;捕集。

技术领域

本发明涉及有机胺捕集CO₂技术领域，尤其涉及一种羟烷基哌嗪基碳捕集剂的制备方法与应用。

背景技术

随着社会和经济的快速发展，能源已经成为推动工业发展的主引擎，但与之伴随的是大气污染和温室效应所给人类带来的巨大挑战。造成全球温室效应的主要原因是CO₂的过度排放。因此对CO₂的捕获、利用和封存技术成为“碳中和”领域的热点问题。

有机胺法被认为是从工业烟气中捕获CO₂的最有效技术之一：胺基官能团可与水发生质子化反应，提供碱性环境，使其具有高CO₂吸收容量；伯、仲胺基官能团可与CO₂结合生成胺基甲酸盐，使其具有高CO₂吸收速率；同时有机胺结构的多样性和可设计性使其成为最具潜力的碳捕集剂之一。但解吸能耗仍是有机胺法捕集CO₂的关键难点，合理的有机胺结构设计是降低解吸能耗的有效方式。

分子结构中的羟基官能团及溶液中醇类化合物的引入有利于提高有机胺碳捕集剂的再生性能。中国专利号CN201680018432.2公开了一种用于分离和捕集二氧化碳的吸收液以及使用所述吸收液分离和捕集二氧化碳的方法。该吸收液由一类具有空间位阻效应的烷醇胺水溶液、低分子量的二元醇化合物和/或甘油组成。醇羟基及低分子量二醇化合物和/或甘油的加入，有效提高了低温下二氧化碳的解吸速率和再生效率，从而降低了该类烷醇胺的再生能耗，但该类吸收剂的二氧化碳饱和吸收量及吸收速率较低。

中国专利号CN202110177801.5公开了一类脂肪多胺碳捕集剂，通过向二乙烯三胺的伯、仲胺基上引入烷烃基等官能团，极大的改善了二乙烯三胺的解吸性能，降低了解吸能耗。但直链脂肪胺在循环过程中极易降解。Davis J D^[1]通过研究表明，不同结构有机胺发生热降解的难易程度为：没有侧链的环胺＜长链烷醇胺＜具有空间位阻的烷醇胺＜叔胺＜MEA＜直链二胺和三胺。在该论文所述的实验条件下，没有检测到哌嗪和吗啉的热降解，而二乙烯三胺的热降解量最大，在135℃下，8周损失超过90％。

综上所述，开发一种具有高吸收性能、低解吸能耗同时具备良好的溶解性能和热稳定性的新型碳捕集剂，是实现烟气CO₂捕集领域“碳中和”目标的当务之急。

发明内容

为了解决上述背景技术中提到的现有技术中存在的问题，本发明提供一种羟烷基哌嗪基碳捕集剂的制备方法与应用。

本发明在化合物的分子结构上进行了针对性设计，羟烷基哌嗪基有机胺在分子结构上以哌嗪的六元环状结构为骨架，可有效抑制分子断裂和分子内聚合反应的发生，进而提高分子结构的化学稳定性，且抑制碳捕集剂在热解吸时的热降解；在哌嗪骨架的N原子上引入胺基和羟基两种极性官能团，极大改善了分子的挥发性、水溶性和流动性，降低了碳捕集剂在循环过程中的胺损失，同时胺基官能团的引入增加了分子内亲核反应位点，有效提高了其对CO₂的吸收容量，而羟基官能团的存在，极大改善了碳捕集剂的解吸性能；通过控制所引入羟烷基和胺烷基中烷基的数量和结构，一方面可降低极性官能团对胺基的吸电子诱导效应，另一方面烷基侧链的存在增加了分子内空间位阻效应，有利于胺基甲酸盐水解产生碳酸氢盐，进而提高解吸性能。

本发明的技术方案如下：