胺溶液捕捉CO_2的化学过程与环境风险
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摘要
CO_2过量排放所引起的全球气温变化等一系列环境问题已经促使世界很多国家实施CO_2减排。从CO_2的来源分布看,火力发电排放的CO_2占CO_2排放总量的1/3。因此,降低发电厂烟气中的CO_2排放量是实现CO_2减排的重要途径之一。在众多的被用于从发电厂的烟气中捕捉CO_2的材料当中,胺溶液是最有可能被商业化的一种。30%乙醇胺水溶液是胺溶液中最典型的一种,被科学家作为CO_2捕捉材料的基准物来研究。大量的研究表明,乙醇胺确实具有高效吸收CO_2的优点,但存在再生能耗高的严重缺点。由于胺溶液捕捉CO_2具有高效性的优点,目前在该领域的研究热点是设计新型胺类CO_2捕捉材料,使其既具有高效吸收CO_2的优点,又能克服其再生能耗高的缺点。大量的研究发现,不同结构的胺捕捉CO_2的能力不同。从本质上讲,是因为胺的结构不同导致其吸收CO_2的化学过程不同,进而导致其具有不同的CO_2捕捉能力。所以,胺溶液吸收CO_2的化学过程是连接胺的分子结构和胺溶液吸收CO_2能力的桥梁。因此,揭示影响胺溶液吸收CO_2化学过程的因素能够极大的推动高效胺溶液的设计,这也是胺溶液设计需要解决的核心问题。针对上述核心问题,本项工作研究了包括乙醇胺在内的三种模型化合物与CO_2的反应机理[1,2,3,4],在理解机理的基础上,我们研究了影响胺和CO_2反应化学过程的因素,以取代的乙醇胺为模型化合物进行研究,我们发现取代基的电负性及胺的碱性与CO_2反应的热力学和动力学之间存在联系[2,4]。据此,我们首次提出通过控制胺的α位取代基的电负性可以控制胺溶液和CO_2反应的速率、产物分支比及胺溶液和CO_2反应的反应热。这对调控胺与CO_2反应的热力学过程和动力学过程具有重要意义。虽然胺溶液捕捉材料还在设计当中,由于高的碳排放的税收,一些国家比如挪威已经计划使用胺类材料实现CO_2减排,由于胺具有较高的蒸汽压,一旦被大规模使用,将不可避免的进入到大气中。因此,基于胺溶液捕捉CO_2的技术存在的潜在环境风险值得关注。我们首先以乙醇胺为例研究了它被·OH及·Cl引发的大气化学转化机制及动力学。·OH引发的反应最终会生成胺基乙醛及致癌性的异氰酸等产物[5]。·Cl引发的反应在大气中最后会形成致癌性的亚硝胺[6]。重要的是,我们发现·Cl在乙醇胺的氧化降解过程中起着非常重要的作用。我们建议,在将来的大气有机污染物的环境风险评价当中,除了考虑·OH的作用之外,也要考虑·Cl的作用。
引文
[1]Xie,H.;Zhou,Y.;Zhang,Y.;Johnson,J.J.Phys.Chem.A.2010,114:11844.
[2]Xie,H.;Wang,P.;He,N.;Yang,X.;Chen,J.J.Environ.Sci.2015,37:75.
[3]Xie,H.;Wei,X.;Wang,P.;He,N.;Chen,J.J.Phys.Chem.A.2015,119:6346.
[4]Xie,H.;Johnson,J.;Perry,R.;Genovese,S.;Wood,B.J.Phys.Chem.A.2011,115:342.
[5]Xie,H.;Li,C.;He,N.;Wang,C.;Zhang,S.;Chen,J.Environ.Sci.Technol.2014,48:1700.
[6]Xie,H.;Ma,F.;Wang,Y.;He,N.;Yu,Q.;Chen,J.Environ.Sci.Technol.2015,49:13246.
[2]Xie,H.;Wang,P.;He,N.;Yang,X.;Chen,J.J.Environ.Sci.2015,37:75.
[3]Xie,H.;Wei,X.;Wang,P.;He,N.;Chen,J.J.Phys.Chem.A.2015,119:6346.
[4]Xie,H.;Johnson,J.;Perry,R.;Genovese,S.;Wood,B.J.Phys.Chem.A.2011,115:342.
[5]Xie,H.;Li,C.;He,N.;Wang,C.;Zhang,S.;Chen,J.Environ.Sci.Technol.2014,48:1700.
[6]Xie,H.;Ma,F.;Wang,Y.;He,N.;Yu,Q.;Chen,J.Environ.Sci.Technol.2015,49:13246.