气体在离子液体中溶解度的实验测量与理论计算

摘要

离子液体被认为是可以替代传统有机溶剂的一种新型绿色溶剂。气体在离子液体中的溶解度以及离子液体的密度和黏度是离子液体在气体吸收、储运等方面应用时必需的基础数据。由于目前已合成和潜在被合成的离子液体数目巨大，如何筛选出对气体溶解度最高的离子液体是应用离子液体对气体进行吸收和储运时首先要解决的问题。另外离子液体的黏度较高，限制了离子液体在工业上应用，如何降低离子液体的黏度也是应用离子液体时要解决的关键问题之一。因此本文首先利用量子力学方法筛选出了对多种工业中常用气体溶解度最高的离子液体，对其黏度、密度和气体在其中的溶解度开展了实验和理论研究，并对如何降低这种离子液体的黏度进行了探讨。本文的主要研究内容和结论有：
　　1.利用 COSMO-RS方法预测了二氧化碳、氧气、氪气、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷在665种离子液体中的亨利系数，筛选出了对这些气体溶解度最高的离子液体—[P(14)666][TMPP]。
　　2.基于等体积饱和法搭建了测量气体在离子液体中溶解度的实验系统，并对该实验系统的可靠性进行了验证。利用气体溶解度实验系统对二氧化碳、氧气、氪气、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯在[P(14)666][TMPP]中的溶解度进行了测量。通过比较发现，[P(14)666][TMPP]对这些气体的溶解度高于文献中其他的离子液体，而且[P(14)666][TMPP]具有与文献中其他离子液体不同的性质：乙烷在其中的溶解度高于乙烯。
　　3.利用旋转法黏度计和振动管密度计测量了四种四烷基磷双(2,4,4-三甲代戊基)膦酸[P(14)666][TMPP]、[P4444][TMPP]、[P1444][TMPP]和[P8111][TMPP]的黏度和密度。与文献中其他离子液体不同，这类离子液体的黏度不随阳离子烷基链中碳原子个数的增长而增长，密度不随阳离子烷基链中碳原子个数的增长而降低。为了降低[P(14)666][TMPP]的黏度，使用一种低黏度离子液体[BHMIM][AC]作为稀释剂。加入一定量的[BHMIM][AC]可以大幅度地降低[P(14)666][TMPP]的黏度，同时保证[P(14)666][TMPP]对二氧化碳、氧气、氪气、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯具有较高溶解度。
　　4.对 Krichevsky-Kasarnovsky方程进行了改进，提高了它的预测能力，进而提出了一种混合法则，将改进的Krichevsky-Kasarnovsky方程拓展到气体在离子液体混合中溶解度的计算。改进的Krichevsky-Kasarnovsky方程对二氧化碳、氪气、氧气、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯在[P(14)666][TMPP]、[P4444][TMPP]、[P8111][TMPP]和[BHMIM][AC]及[P(14)666][TMPP]与[BHMIM][AC]混合物中溶解度的计算值与实验值吻合良好。

目录

主要符号表

1 绪论

1.1离子液体概述

1.2气体在离子液体中的溶解度

1.3离子液体的密度和黏度

1.4本文工作

2 离子液体的筛选

2.1 COSMO-RS方法的基本理论

2.2 COSMO-RS方法的验证

2.3离子液体的筛选

2.4本章小结

3 气体在[P(14)666][TMPP]中溶解度的测量

3.1气体溶解度实验系统

3.2气体溶解度实验系统的不确定度分析及可靠性检验

3.3气体在[P(14)666][TMPP]中的溶解度

3.4本章小结

4 [P(14)666][TMPP]黏度的测量与降低

4.1 [P(14)666]的黏度

4.2 [P(14)666][TMPP]与[BHMIM][AC]混合物的黏度

4.3 [BHMIM][AC]对气体在[P(14)666][TMPP]中溶解度的影响

4.4跨临界区域水的黏度

4.5本章小结

5 气体在离子液体中溶解度的计算

5.1气体在单一离子液体中溶解度的计算

5.2气体在离子液体混合物中溶解度的计算

5.3本章小结

6 结论与展望

6.1本文主要工作内容及结论

6.2本文创新点

6.3工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果