利用离子液体支撑液膜分离混合气体

摘要

进入21世纪，随着我国经济和社会的快速发展，人们对能源的需求日益增大。氢能作为一种清洁能源备受关注，生物质发酵制氢是氢能的重要来源，但如何从发酵尾气中分离氢气成为其难点所在。
　　离子液体支撑液膜(SILM)利用离子液体对气体良好的选择性溶解与吸收性能，是一种新型的气体分离技术，以其常温下进行，分离操作无相态、化学变化等优点而受到科研工作者的广泛关注。
　　本文设计合成1-丁基-3-甲基咪唑二氰铵盐([BMIM][DCA])、1-丁基-3-甲基咪唑苯甲酸盐([BMIM][BA])、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐([BMIM][TfO])、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚铵盐([BMIM][NTf2])四种阴离子功能化离子液体，采用 IR、1H-NMR和13C-NMR对其结构、纯度进行表征。
　　利用 Gaussian09计算了这四种离子液体与气体小分子间的结合能，计算表明：[BMIM][NTf2]···N2的结合能最大，为-9.774kJ·mol-1；[BMIM][BA]···H2的结合能最大，为-7.601kJ·mol-1；[BMIM][TfO]···CO2结合能最大，为-27.62kJ·mol-1。从离子液体对气体的分离方面分析，结合能差异越大，越有利于气体的分离，分析发现[BMIM][TfO]和[BMIM][NTf2]有利于从混合气体中分离出H2。
　　本文采用自制实验装置，测定 N2、H2、CO2在以聚偏二氟乙烯膜(PDVF)、聚砜膜(PES)为基膜制备离子液体支撑液膜中的渗透速率及离子液体支撑液膜对混合气的分离效果。
　　研究表明：气体在 SILM渗透性主要受离子液体种类的影响。N2在40℃、PES-[BMIM][BA]型离子液体支撑液膜中渗透速率最高，为9.826×10-7 cm3(STP)·cm/(cm2·s·cmHg)；H2、CO2在30℃、PES-[BMIM][BA]型离子液体支撑液膜中渗透速率最高，分别为6.908×10-7 cm3(STP)·cm/(cm2·s·cmHg)和8.057×10-7 cm3(STP)·cm/(cm2·s·cmHg)。在混合气中 H2的分离方面，发现分离因子随压力的增加而增加。以PVDF为基膜，在30℃、2.0atm下，[BMIM][BA]型SILM时分离因子可达2.829；以 PES为基膜，在40℃、1.6atm、[BMIM][NTf2]型SILM时分离因子可达3.413。
　　从总体分离效果上看，以 PES为基膜时，[BMIM][TfO]和[BMIM][NTf2]型SILMs更有利于从混合气中分离 H2，这与 Gaussian09的计算认为的结合能差异越大，越有利于气体的分离是一致的。

目录

第1章 绪论

1.1氢能源的发展现状

1.2氢气分离技术研究现状

1.3离子液体概述

1.4离子液体支撑液膜的研究进展

1.5量子化学概述

1.6本论文研究思路与内容

第2章 实验内容与方法

2.1实验材料

2.2实验仪器

2.3实验方法

2.4离子液体支撑液膜的分析表征

2.5分析测试方法

第3章 结构最优化计算

3.1结构最优化计算

3.2 IL和气体小分子结构的最优化计算分析

3.3 IL-N2、H2、CO2体系的最优化计算分析

3.4本章小结

第4章 离子液体支撑液膜的分析表征

4.1PVDF膜和PES膜对离子液体的固容量分析

4.2离子液体支撑液膜的稳定性分析

4.3离子液体支撑液膜的SEM表征结果

4.4本章小结

第5章 离子液体支撑液膜用于气体分离的工艺研究

5.1 N2的渗透速率

5.2 H2的渗透速率

5.3 CO2的渗透速率

5.4以PVDF为基膜时H2/(N2、CO2)的分离

5.5以PES为基膜时H2/(N2、CO2)的分离

5.6基膜对H2/(N2、CO2)混合气体分离因子的影响

5.7本章小结

第6章 结论

参考文献

缩略语词汇表

附录A 离子液体的结构表征谱图

附录B SILMs分离因子

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果