發(fā)布時間：2017-10-08 20:01

  本文關(guān)鍵詞：氨基功能化咪唑型離子液體設(shè)計及捕集CO_2機制研究

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【摘要】：研發(fā)高效、低能耗的CO2捕集技術(shù)是實現(xiàn)中國減排溫室氣體并促進向低碳經(jīng)濟過渡的關(guān)鍵所在。本文針對以醇胺液相化學(xué)吸收CO2工藝存在的吸收劑易揮發(fā)和設(shè)備腐蝕嚴重及吸收劑再生能耗高等缺陷,對氨基功能化離子液體進行理論設(shè)計,將計算量子化學(xué)理論中的B3LYP方法和MP2方法有機結(jié)合,在6-311++G(d,p)基組水平上對咪唑型離子液體吸收CO2的體系進行了系統(tǒng)的量子化學(xué)研究。分別采用GAUSSIAN03及GTA2000和AIM2000程序包,通過構(gòu)型優(yōu)化計算、能量計算、自然鍵軌道(NBO)計算和電子密度拓撲計算,揭示了離子液體吸收CO2的作用機理。本文基于量子化學(xué)理論,提出一種對眾多的離子液體進行理論篩選的方法,旨在指導(dǎo)新型離子液體研發(fā),優(yōu)選有效的C02吸收劑,為離子液體捕集C02技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。選取1-(4-氨基丁基)-3-甲基咪唑陽離子([Abmim]+)分別與PF6-、BF4-、Cl和Br-四種陰離子組成離子液體,通過優(yōu)選,設(shè)計出35種離子液體初始空間幾何構(gòu)型并進行了全優(yōu)化計算,得到10種穩(wěn)定離子液體構(gòu)型,在此基礎(chǔ)上引入C02,設(shè)計出30種吸收產(chǎn)物的空間構(gòu)型,最終優(yōu)化得到10種穩(wěn)定的產(chǎn)物構(gòu)型,其中產(chǎn)物構(gòu)型中陰離子為BF4-的B構(gòu)型離子液體(B[Abmim]BF4)對CO2的吸收作用能最大,約為32kJ/mol,表明其可有效吸收C02。一般來說,吸收作用能低于80kJ/mol時被認為吸收作用主要為物理過程,因此可判斷該產(chǎn)物構(gòu)型再生能耗較低。另一個陽離子,1-(4-氨基丁基)-3-乙基咪唑陽離子([Abeim]+)與上述四種陰離子的作用模式與相應(yīng)的[Abmim]+-一致,形成的離子液體主要構(gòu)型吸收CO2的作用能分別約為16kJ/mol、 19kJ/mol、14kJ/mol和16kJ/mol。顯然,其中含BF4-的離子液體與C02之間的作用能亦為最大,因此認為BF4-為最佳陰離子。[Abmim]+咪唑環(huán)上的N1位取代基不變,將N3位上的取代基設(shè)計為甲基、乙基和丙基時,分別與BF4-組成離子液體,考察N3位上不同取代基對離子液體吸收CO2的影響,結(jié)果表明：隨著N3位上取代基碳鏈的增長,吸收作用能逐漸減小,不利于CO2吸收。因此認為N3位上的最佳取代基為甲基。當(dāng)咪唑環(huán)上N3位取代基均為甲基時,N1位上的取代基分別設(shè)計為氨基丙基、氨基丁基和氨基戊基,與BF4-組成離子液體,探究N1位上不同取代基對離子液體吸收C02的影響,結(jié)果顯示,N1位上的取代基為丙基和戊基的離子液體吸收C02的作用能均約為16kJ/mol,作用能較小,不利于有效吸收C02,因此N1位上最佳取代基為氨基丁基。綜合對陰離子以及咪唑環(huán)上取代基的篩選結(jié)果,認為[Abmim]+BF4為最佳C02吸收劑。AIM2000計算結(jié)果表明,氨基功能化咪唑型離子液體吸收CO2的機制主要表現(xiàn)為C02中的C原子與氨基上的N原子之間形成的弱化學(xué)鍵及O與丁基上的H之間形成的氫鍵,結(jié)合產(chǎn)物構(gòu)型和能量計算以及形成的弱化學(xué)鍵的鍵鞍點處的電子密度拓撲性質(zhì)的計算結(jié)果,可以判斷該離子液體吸收C02為物理吸收。對所有主要產(chǎn)物進行NBO和AIM計算研究表明：氨基功能化咪唑型離子液體對CO2的吸收作用能主要源自被電荷分配作用極化了的C02分子與離子液體之間離散的靜電引力和成鍵原子之間靜電吸引力以及成鍵原子之間的軌道相互作用力。燃煤煙氣中共存氣體SO2、NO、O2和N2對CO2吸收的影響研究表明,優(yōu)化計算未得到[[Abmim]BF4吸收NO、02和N2的穩(wěn)定產(chǎn)物構(gòu)型,可認為NO、02和N2對C02吸收的影響不明顯。但優(yōu)化計算得到了2種[Abmim]BF4吸收SO2后穩(wěn)定產(chǎn)物的空間幾何構(gòu)型,其吸收作用能均約為167kJ/mol,因此認為該離子液體可同時吸收S02和C02,從二者吸收作用能差距判斷,S02和C02可實現(xiàn)分級再生。[Abmim]BF4與S02之間的弱化學(xué)鍵的鍵長和鍵鞍點處的電子密度以及成鍵原子之間的軌道相互作用能數(shù)據(jù)均表明,[Abmim]BF4吸收S02仍為物理性吸收。
【關(guān)鍵詞】：離子液體 氨基功能化 二氧化碳 吸收 燃煤煙氣
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X701;O641.121
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 主要符號表13-14
• 第1章 緒論14-25
• 1.1 課題背景及研究意義14-16
• 1.2 離子液體的概述16-19
• 1.2.1 離子液體的性質(zhì)16
• 1.2.2 離子液體的種類16-17
• 1.2.3 離子液體的應(yīng)用17-19
• 1.3 離子液體吸收CO_2的研究現(xiàn)狀19-23
• 1.3.1 常規(guī)離子液體吸收CO_219
• 1.3.2 離子液體支撐液膜吸收CO_219-20
• 1.3.3 氨基功能化離子液體吸收CO_220-23
• 1.3.4 離子液體吸收CO_2研究存在的不足23
• 1.4 課題研究內(nèi)容23-25
• 第2章 量子化學(xué)方法和理論25-31
• 2.1 計算量子化學(xué)發(fā)展史25
• 2.2 量子化學(xué)計算方法簡介25-27
• 2.3 電子密度拓撲理論簡介27-29
• 2.4 計算方法選擇29-31
• 第3章 功能化離子液體的設(shè)計與研究方案31-36
• 3.1 為什么選擇氨基功能化咪唑型離子液體31-32
• 3.2 離子液體分子模型的設(shè)計32-36
• 3.2.1 優(yōu)化陰陽離子的穩(wěn)定空間幾何構(gòu)型32-33
• 3.2.2 篩選陰離子33-34
• 3.2.3 篩選陽離子34-36
• 第4章 [Abmim]~+和[Abeim]~+分別與PF_6~-、BF_4~-、Cl~-、和Br~-組成離子液體吸收CO_2的研究36-77
• 4.1 引言36
• 4.2 [Abmim]~+與PF_6~-、BF_4~-、Cl~-、和Br~-組成離子液體吸收CO_2的研究36-61
• 4.2.1 分子設(shè)計與幾何構(gòu)型優(yōu)化36-41
• 4.2.2 能量分析41-46
• 4.2.3 幾何構(gòu)型分析46-51
• 4.2.4 NBO計算與分析51-55
• 4.2.5 AIM計算與分析55-61
• 4.3 [Abeim]~+與PF6~-、BF_4~-、Cl~-、和Br~-組成離子液體吸收CO_2的研究61-75
• 4.4 本章主要結(jié)論75-77
• 第5章 BF_4~-與[Abmim]~+、[Abeim]~+和[Abpim]~+組成離子液體吸收CO_2的研究77-87
• 5.1 引言77
• 5.2 結(jié)果與討論77-85
• 5.2.1 離子液體的結(jié)果分析79-82
• 5.2.2 離子液體吸收CO_2產(chǎn)物的結(jié)果分析82-85
• 5.3 本章主要結(jié)論85-87
• 第6章 BF_4~-與[Apmim]~+、[Abmim]~+和[Aamim]~+組成離子液體吸收CO_2的研究87-98
• 6.1 引言87
• 6.2 結(jié)果與討論87-97
• 6.2.1 離子液體的結(jié)果分析88-91
• 6.2.2 離子液體吸收CO_2產(chǎn)物的結(jié)果分析91-97
• 6.3 本章主要結(jié)論97-98
• 第7章 [Abmim]BF_4吸收煙氣中SO_2、NO、O_2和N_2的研究98-108
• 7.1 引言98
• 7.2 結(jié)果與討論98-107
• 7.2.1 [Abmim]BF_4吸收SO_2后產(chǎn)物的構(gòu)型分析100-102
• 7.2.2 [Abmim]BF_4吸收SO_2后產(chǎn)物的能量分析102-103
• 7.2.3 [Abmim]BF_4吸收SO_2后產(chǎn)物的電子密度拓撲分析103
• 7.2.4 [Abmim]BF_4吸收SO_2后產(chǎn)物的NBO研究103-107
• 7.3 本章主要結(jié)論107-108
• 第8章 結(jié)論與展望108-112
• 8.1 主要結(jié)論108-110
• 8.2 主要創(chuàng)新點110
• 8.3 對未來研究工作的展望110-112
• 參考文獻112-121
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果121-122
• 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研工作122-123
• 致謝123-124
• 作者簡歷124

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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2 袁曉亮;張延強;蘭玲;張鎖江;;離子液體固定CO_2及其轉(zhuǎn)化利用的研究進展[J];過程工程學(xué)報;2008年02期

3 ;Separation of ionic liquids from dilute aqueous solutions using the method based on CO_2 hydrates[J];Journal of Natural Gas Chemistry;2010年01期

4 王偉彬;銀建中;孫麗華;馮恩民;;CO_2/離子液體體系熱力學(xué)性質(zhì)的分子動力學(xué)模擬[J];物理化學(xué)學(xué)報;2009年11期

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本文編號：995951