[发明专利]一种水滑石类催化剂催化叔胺溶剂快速低能耗捕获CO2

说明书

本发明公开了一种快速、低能耗捕获CO₂的方法，具体是采用水滑石催化剂催化叔胺溶剂来捕获CO₂。相较于传统的叔胺溶剂CO₂吸收工艺，本发明提供的方法可极大地提升CO₂吸收速率、进而实现低能耗CO₂捕获过程。与现有技术相比催化剂廉价易得；催化叔胺溶剂CO₂吸收性能优越，且循环稳定性优异；反应条件温和，操作简便；水滑石类催化剂具有大表面积、多孔性、高的水热稳定性、良好的表明碱性位点等优点，可以替代价格昂贵且易失活的碳酸酐酶等催化剂，具有良好的社会和经济效益。

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种水滑石类催化剂催化叔胺溶剂快速低能耗捕获CO₂的方法。

背景技术

化石能源的大量燃烧向大气中排放过量的二氧化碳(CO₂)，这是造成温室效应的重要原因。目前，有机胺溶液化学吸收法具备吸收容量大、设备投入小、价格低廉及成熟度高等优点，被认为是短期内最有可能应用于燃煤电厂的CO₂捕集技术。然而，现有的有机胺吸收工艺存在能耗高、溶剂降解及腐蚀设备等不足。其中，伯胺吸收剂再生能耗占总捕集成本的60％，因此，降低CO₂捕集成本以促进其进一步工业化应用的关键在于降低有机胺溶剂的再生能耗。

根据分子中与氮原子相连的氢原子数目，有机胺可分为伯胺、仲胺和叔胺。典型的伯胺如单乙醇胺(MEA)，CO₂与MEA进行化学反应，形成氨基甲酸离子。伯胺溶剂CO₂吸收速率快，但因氨基甲酸酯难以断裂，导致其解吸能耗过大，是目前这两类吸收剂在工业上广泛应用的瓶颈问题。此外，伯胺溶剂还存在吸收容量低及溶剂易降解等不足。仲胺溶剂虽然具有不易降解及沸点较高可在较高温度下吸收CO₂等优点，但存在吸收速率低、脱除效率低及价格昂贵等不足。另一方面，叔胺溶剂如，N-甲基二乙醇胺(MDEA)，因不直接与CO₂进行反应，而是通过碱催化机理，促进CO₂水合反应，最终生成碳酸、碳酸氢根和质子化胺。因碳酸根及碳酸氢根不稳定，容易分解生成CO₂，因此叔胺溶剂再生能耗低，且叔胺溶剂还具有CO₂吸收容量大、抗降解性能优异等优势。因此，叔胺溶剂是一类十分有潜力的低能耗CO₂吸收剂。然而，由于叔胺溶剂吸收CO₂的速率过慢，限制了其大规模实际应用。

针对叔胺溶剂CO₂吸收速率过低的问题，研究者提出碳酸酐酶(CA)催化剂能够有效加快CO₂水合速率，降低CO₂吸收焓。CA催化CO₂水合生成HCO3-的能力已被大量研究所证明，CA是已知的催化CO₂水合速率最快的酶(Wu et al.,Chinese J.Chem.Eng.,2020,28(11), 2817-2831.)。例如，Shen等人提出将CA酶嵌入到ZIF-L的纳米颗粒中，形成了一个新的 CA/ZIF-L-1复合材料，并用于CO₂吸收过程，该复合材料对CO₂的吸收显示了较好的催化活性(Shen et al.,Appl.Energy 2018,230,726-733)。Power等人开发了一种核壳磁性ZIF-8@Fe3O4-碳酸酐酶复合材料，以促进叔胺吸收CO₂性能，研究了具有三种颗粒尺寸的CA@ZIF8@Fe3O4的催化性能。结果表明，CA@ZIF-8@Fe3O4的相对催化活性可高达95.2％(Power et al.,Environ.Sci.Technol.2016,50(5),2610-2618)。然而，CA自身的热稳定性低、循环性能差及价格昂贵等不足限制了其工业应用(Luis et al.,J.CO₂ Util.,2021,47,101475；Rasouli et al.,Sep.Purif.Technol.2022,296,121299)。