离子液体清洁过程北京市重点实验室:助力传统产业绿色升级

发布日期: 2019- 08- 30 信息来源: 市科委机构金融处,北京技术交易促进中心 字号:[ ]

离子液体作为一种绿色溶剂,在分离、催化、电化学等方面发挥着重要的作用,为节能减排及实现物质温和转化提供了新的途径,成为近年来的研究热点。

中国科学院过程工程研究所所长张锁江院士带领的离子液体清洁过程北京市重点实验室(以下简称实验室),致力于开展离子液体绿色技术研发、成果转化、企业孵化和产业推广等工作,从高效清洁转化利用和节能减排的角度来治理环境污染,旨在打造介质—工艺—设备—过程—系统的贯通式创新链条,为“美丽中国”建设贡献一份力量。

实验室副主任吕兴梅介绍:“长期以来,实验室研发了多项反应、分离、电化学原创性绿色技术,在低碳烃资源及可再生资源利用、电池储能、节能环保等领域实现了工程示范及产业化,服务国家、区域和企业发展需求。”

开发清洁高效新工艺

碳酸酯离子液体是一类可以与动力电池电解液、聚碳产业链衔接的绿色化工中间体,被广泛用于电子、医疗、汽车等行业。目前,国内碳酸酯装置普遍采用环氧丙烷酯交换法,存在工艺条件苛刻、流程复杂且副产丙二醇市场容量小、装置产值低等问题,严重阻碍了企业发展。

实验室志在打造贯通式创新链条

实验室开发的离子液体催化合成碳酸酯联产乙二醇的高效清洁新工艺,工艺过程简单、“三废”排放少、副产品乙二醇为大宗化学品(年需求量>1200万吨),不仅提高了装置产值,还丰富了环氧化合物的下游产品,形成完整的乙烯衍生物产业链,是碳酸酯生产方法中具有应用前景的技术。

吕兴梅介绍:“在实验室小试的基础上,科研团队确定了优化的工艺条件,完成了1000小时工业侧线试验,碳酸二甲酯产品质量达到行业标准一级品要求,乙二醇产品质量达到国家优级品标准,同时完成了工艺全流程的优化设计和能量集成优化等基础设计工作。”

均相羰基化热模装置

据介绍,实验室与奥克化学江苏有限公司合作,建立了国内首套3.3万吨/年离子液体催化生产乙二醇联产碳酸酯的产业化示范工程,已于2017年投入运行。为进一步推广自主开发的碳酸酯/乙二醇平台技术,实验室还与深圳新宙邦股份有限公司签订了合作协议,将建设7万吨/年碳酸酯工业化生产装置。

服务首都循环经济

PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)是一种多用途热塑性聚酯,具有广泛应用价值,如纤维、薄膜、饮料瓶等。随着经济发展和人民生活水平的不断提高,PET废弃量持续增加。

吕兴梅说:“作为与人们日常生活密切相关的PET,废旧PET自然分解困难,大量废旧PET直接排放,不仅造成严重的环境污染,而且还带来资源的巨大浪费。北京是PET消费量大的城市,如果处理不好,将会严重影响北京的美丽形象和可持续发展。”

针对传统化学回收技术反应条件苛刻、速率低、分离复杂等问题,实验室开发了离子液体催化降解PET新技术。该技术以离子液体为催化剂,利用离子液体静电氢键协同催化原理,在较温和的条件下即可快速高效地实现废旧PET降解,该工艺流程短、能耗低,离子液体催化剂可循环利用,完成PET“ 瓶到瓶”的永久闭合循环,实现了资源利用绿色化,技术经济性大幅提高。

吕兴梅指出,该技术超额完成“863”计划项目技术指标,是应用离子液体催化剂,实现千吨级示范规模的PET降解新技术,可推广应用于其他高分子材料回收,为实现我国及北京循环经济和可持续发展的目标提供重要科技支撑。

促进清洁油品生产

随着汽油标准和汽车消费升级,对汽油辛烷值的要求越来越高。烷基化油具有辛烷值高、低硫、无芳烃等优点,是理想的汽油调和组分。加大烷基化油调和比例是加快汽油升级、减少有害气体排放的最有效途径。

“目前浓硫酸工艺是我国烷基化主要技术,约占国内产能的84%。酸耗高、废酸处理成本高是该技术最大的问题。”吕兴梅介绍说,“从环保和经济效益方面考虑,对技术成熟的硫酸法进行改进,降低酸耗,实现烷基化过程的绿色节能,对于加速油品升级具有重要的现实意义。”

基于在离子液体基础及应用方面的长期研究积累,实验室开发了具有促进氢转移和稳定酸强度的多功能离子液体,获得高活性离子液体协同催化体系,改善了表界面性能,抑制了酸溶油生成。

同时,实验室还开展了烷基化过程的反应动力学、反应器放大规律、过程强化、系统集成等基础研究,建立了百吨级工业侧线装置,在长周期稳定运行的基础上形成了20万吨级工艺包,获得了具有自主知识产权的离子液体协同催化生产异辛烷成套绿色技术。

实验室人员正在开展科研

实验室与河南盛源集团合作,建成了国内首套20万吨级离子液体协同烷基化示范工程,于2014年实现了连续稳定运行。运行结果表明,可将硫酸工艺的酸耗降低50%,能耗降低约10%,异辛烷收率和性能指标均优于现有技术。

吕兴梅表示,该技术通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。

助力新能源汽车发展

电动汽车是节能减排的重要手段,被列入国家的战略性新兴产业。动力电池是电动汽车的“心脏”,直接决定了电动汽车的续航里程、安全性等。

实验室科研团队发现,目前动力电池普遍存在能量密度比较低的问题,造成车辆续航里程短。

“电池性能决定于电极材料、电解液以及电池制造工艺。”吕兴梅说,目前电极材料已经比较成熟、电池制造工艺也处于比较领先的地位,所以电解液成为限制电池性能的关键因素,要想实现国家2020年电池能量密度达到300Wh/kg的目标,必须研发可以适用于高压正极材料和高容量负极的电解液。

实验室科研团队设计合成的离子液体电解液用于锂电池,电化学稳定性及电极相容性优良,解决了电解液高压分解、负极材料表面SEI膜易破裂等难题,显著提升了电池循环稳定性。该电解液技术可拓展到超级电容器,提升超级电容器的应用电压与能量密度。目前,实验室研制的电解液已在河南建成5000吨/年生产线,产品被比克电池、多氟多、美国福特等多家企业应用。

吕兴梅介绍,实验室的这项技术通过了中科院组织的科技成果鉴定。

未来,离子液体清洁过程北京市重点实验室将进一步促进离子液体科研成果转化和产业化落地,面向国家重大需求、服务“一带一路”倡议,围绕新能源、节能环保、绿色健康等产业布局,加大力度推动传统产业的绿色化、智能化产业升级,联合国际上知名的研究机构、化工企业,逐步建设绿色联盟,形成国内外领先的绿色创新集群。 

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