- 课题背景
石油是现代工业的主要能源物质，由于石油燃烧导致的温室效应已经影响到了全球环境的发展，其二氧化碳的排放和吸收问题倍受关注，近年来二氧化碳的捕集和吸收技术在得到较快的发展。目前捕集技术主要包括：燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集。其中燃烧后捕集技术能够满足现有烟气特点的要求，工程量较小，被认为是可行性最高的减排方法。燃烧后捕集可分为溶剂吸收法、吸附法、膜分离法和低温分离法[1]。常见的有液态吸收剂水、乙醇胺（MEA）等，以及固态材料沸石、MOF膜、纳米聚合物等。水作为吸收剂，廉价但低效，MEA吸收剂的吸收速率快、CO2吸收容量大且与水不互溶，但缺点是高腐蚀性、降解产物毒性大及溶剂回收时析出CO2 的能耗高。固体材料的优点是比表面积大、挥发性低，缺点是当水存在时CO2的吸收容量低、多次吸收、解吸循环后稳定性差及成本高。
在此背景下，利用离子型溶剂的理化性质对温室气体的吸收捕集的方式体现出容量大和吸收剂挥发性低的优势。低共熔溶剂是近年来由氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）组成的一种新型溶剂，低共熔溶剂正在成为一个热门的研究课题。由于生物降解性、无毒性和低价格，基于胆碱的低共熔溶剂被认为是比传统的 ILs 更为绿色和更为友好的 CO2分离溶剂[2]。
- 要解决的问题
尽管低共熔溶剂有着更为突出的吸收特性，但是由于其粘度大的特征，导致了一些在实际应用中不可避免的问题，粘度大小决定了传质阻力的影响程度。为了降低低共熔溶剂的粘度，可以在溶剂中加入一定含量的水，然而由于水的存在，低共熔溶剂的粘度在很大程度上减小的同时，其对于CO2的吸收容量受到了影响。
此次研究希望通过微胶囊化的技术对低共熔溶剂的存在形式进行改造，实验得出更适合用于吸收的具体可操作数据，使得可以在有效增大比表面积的同时使溶剂的粘度下降。例如，美国劳伦斯利物莫国家实验室的 Aines 教授成功利用硅油作为壳体材料，制备出包裹30wt%碳酸钾溶液的微胶囊，发现其吸收CO2速率是碳酸钾溶液的10倍以上[3]。本次实验研究选用特定的壳体材料，通过微流控技术对微胶囊形态下的低共熔溶剂进行稳态制备，尺寸调控以及微结构表征，最后对不同的微胶囊成品进行CO2的吸收测定，从而确定有利于吸收效果的微胶囊数据范围。
- 可行性分析
理论依据可行性：现有的液态吸收剂和固态材料都在不同程度上体现出一些难以避免的缺点，液态水的低吸收度，MEA的腐蚀性及回收难度以及固态吸收剂的高额成本是其主要问题。低共熔溶剂对二氧化碳具有高吸收度，且无毒性，合成过程简单，在近几年的工业生产中已经得到了很好的应用。对低共熔溶剂进行微胶囊化的处理不仅改良了其粘度过高的问题，更使得对二氧化碳吸收度得到更进一步的提升。
实际操作可行性：目前，美国劳伦斯利物莫国家实验室的 Aines教授成功利用硅油作为壳体材料，制备出包裹30wt%碳酸钾溶液的微胶囊，发现其吸收CO2速率是碳酸钾溶液的10倍以上。在对CO2的吸收容量和吸收效果的比较中，低共熔溶剂的吸收性能比碳酸钾溶液要更好。只要将包裹的溶液替换为低共熔溶剂，并对微胶囊的尺寸和其他材料进行实验研究，可以得到具有良好吸收特性的低共熔溶剂的微胶囊产物。
- 研究方法和内容
4.1 研究方法：通过微流控技术对低共熔溶液进行微胶囊化的处理，可以有效得到特定尺寸的壳体材料包裹下的微胶囊。微流控技术通过设定特定流速，对低共熔溶液进行包裹，得到的微胶囊在吸收二氧化碳之后再通过加热的方式进行解吸，从而达到循环利用的效果。
4.2 实验内容
- 包裹材料的设计和制备
本次实验拟选用的包裹材料为PDMS与固化剂进行10:1的比例配制的壳体材料，这种包裹材料可以在一定的加热温度下进行固化，从而可以起到维持微胶囊形态以及减小粘度的效果。拟通过固化测试（将设计和制备的壳体材料液滴，在加热下固化直至变成固态），确定在低共熔溶剂存在的情况下壳体材料能否被热交联固化。
- 微胶囊的稳态制备，尺寸调控以及微结构表征
由于微流控技术在控制具体流量的应用上具有可行性，使得在实际操作中可以具体设计出微胶囊的尺寸以及包裹材料的厚度，从而得到大小均一的微胶囊产物。采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM），表征微胶囊的表面微结构尤其是微胶囊壳体孔道结构及表面形貌；通过X射线衍射（XRD）和傅里叶红外光谱仪（FT-IR），表征壳体材料在包裹前后的变化情况。在将制备好的微胶囊进行上述观测操纵后即可记录实验初步结果，为之后的二氧化碳吸收性能测试做准备。
