离子液体酸性气体吸收剂的合成、表征及吸收性能研究

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1、邮一级博士生姓名：指导教师(姓名、职称)：堂：量塑塾撞摘要王冠楠工业的飞速发展给人类带来巨大便利的同时，也引发了严重的环境污染问题。在各种行业中，化工以及能源相关产业对环境的污染程度最严重。为了有效地控制并治理因化工生产而造成的污染，绿色化学应运而生，并逐渐成为化工领域的发展趋势。绿色化学的核心内容就是从源头上减少和消除污染物，合理地利用资源和能源并提高循环利用率。脱除二氧化碳、二氧化硫等酸性气体是一项关乎环境保护、能源利用和化工生产的关键技术。目前，工业上广泛使用有机胺水溶液法、热钾碱法以及石灰石等方法脱除酸性气体。这些工艺技术成熟、成本低、处理

2、量大，但都面临设备腐蚀严重、解吸能耗高、因溶剂挥发而引起二次污染等弊端。离子液体作为绿色化学的重要分支之一，是在室温或相近温度下完全由离子组成的液体物质。离子液体具有几乎无蒸汽压，热稳定性好，分子结构可设计等独特的优势，并在催化、有机合成、萃取分离等众多应用领域逐渐成为研究的热点。若将离子液体作为酸性气体的吸收剂，最大的优势是没有蒸汽压。这将使得离子液体在吸收过程中，不会进入气相。一方面，离子液体不会因为自身的挥发而导致吸收剂的损失；另一方面，解吸后的气体也不会含有吸收液组分。此外，离子液体的结构可设计性特点使其可以按照实际的需求和特殊的目标，设计

3、并合成专用于吸收酸性气体的功能化离子液体。因此，科学界普遍认为离子液体是绿色的、具有光明应用前景的酸性气体吸收剂。在前人工作的基础上，本文的主要工作是设计并合成了专用于吸收酸性气体的功能化离子液体。分析了离子液体的结构与物理化学性质的规律后，本文选择性地合成了四烷基季胺氨基酸离子液体，其中四乙基季胺L丙氨酸是当时粘度最低的功能化离子液体，且具有良好的C02吸收性能。在此基础上，继续合成了一系列低粘度的非对称四烷基季胺有机酸离子液体。实验结果表明，全取代有机酸离子液体吸收C02的容量(以质量比计)高于其他所有功能化离子液体。同时，一取代有机酸离子液体

4、也是首次发现的吸收S02容量最高、吸收速度最快的功能化离子液体。这些发现证明了从分子结构的角度设计并合成功能化离子液体思路的正确性，极大地推动了离子液体作为绿色高效酸性气体吸收剂的应用。随后，本文选择了合成路线短、粘度低、吸收速率大的功能化离子液体与工业中广泛使用的有机胺一一N．甲基二乙醇胺复配为混合液；研究混合液的物理化学性质与温度的关系以及混合液的吸收性能。希望通过将离子液体作为活化剂使用以减低工业应用成本，并加快离子液体作为酸I}生气体可逆吸收剂的产业化进程。通过这些工作，本文得到以下结论：(1)离子液体的粘度与结构的变化规律：通常，增长阳离

5、子的烷基侧链会导致粘度的增高。"-3烷基链的碳原予数相同时，增多碳链分支将会加大粘度。此外，咪唑环阳离子2号位的甲基化、阳离子侧链的氟化以及阳离子对称性的提高都会增大粘度。阴离子对离子液体的粘度有明显的影响。一般情况下，平面结构的阴离子构成的离子液体粘度较低：而非平面构型、对称性好的阴离子构成的离子液体粘度相对较高。与阳离子类似，增大阴离子的体积和摩尔质量，增长阴离子的侧链长度，也会升高离子液体的粘度。残留的水或有机溶剂也会降低离子液体的粘度，而残余的卤素则会升高粘度。(2)低粘度的氨基酸离子液体吸收速率大：选择空间伸展性好的四烷基季胺作为阳离子并

6、口氨基酸阴离子构成氨基酸功能化离子液体。因阴阳离子之间的空间间隙大，氨基酸阴离子的摩尔质量和体积小，合成的氨基酸离子液体的粘度较文献已报道的功能化离子液体低。其中四乙基季胺L．丙氨酸([N2222】【L．Ala])离子液体在25。C时粘度仅为81mPa·S，是当时粘度最低的功能化离子液体。将其作为吸收剂进行C02吸收的实验结果表明：该离子液体吸收C02的机理与有机伯胺(如MEA)和仲胺(DEA)以及其他含氨基功能化离子液体(如3一丙胺基_甲基咪唑四氟硼酸盐)类似，均是两分子的吸收剂与一分子的C02生成氨基甲酸盐类化合物。低粘度的氨基酸离子液体吸收C

7、02的速率大，是有机胺的2至5倍。高吸收速率是因为离子液体较低的粘度，有利于C02在液相中的扩散和传质。并且，合成氨基酸离子液体属于酸碱中和一步反应法，合成过程简单，成本较低，纯度较高。因此，该类型的离子液体在酸性气体吸收领域有潜在的应用价值。(3)全取代有机酸离子液体具有较高的C02吸收容量：根据阳离子结构与离子液体粘II度的规律，选择非对称四烷基季胺一丁基三乙基季胺([N2224】)为阳离子，以合成粘度更低的离子液体；选择有机酸作为阴离子，以降低合成成本。本文有目标地合成了非对称性四烷基季胺有机酸([N2224][carboxylate])离子

8、液体。该离子液体易和水结合，处于盐一水复合物的状态。因为水的存在，全取代有机酸离子液体的粘度较低，但热稳定性较差。研究结果