二元金属氯盐低共熔溶液支撑液膜分离乙烯/乙烷的研究

摘要

乙烯是石化工业的基础原料，乙烯产量是世界上作为评判一个国家的石油化工发展水平是否先进的重要指标。在乙烯的生产过程中，产物经常为烯烃/烷烃的混合物。由于相同碳数的烯烃、烷烃物理化学性质相似，采用传统的深冷分离方法耗能巨大、设备投资高，因此研发一种新型的高效、节能、经济的分离方法对于我国石油化工发展是很有必要的。 采用支撑液膜对混合气体进行膜分离具有制备工艺简单、选择性高、渗透通量大、经济节能等特点。膜液采用完全由离子构成的低共熔溶液，具有原子经济性、极低饱和蒸气压、可设计性等特点。本文采用Cu+基低共熔溶液，基于Cu+可与乙烯可逆络合的原理，对乙烯/乙烷混合气进行膜分离。 本文为了提升支撑液膜中Cu+载体分离乙烯/乙烷的选择性，通过在[BMIM][Cl]/CuCl低共熔溶液中添加不同金属氯盐，以探究提高Cu+活性的新方法。二元金属氯盐低共熔溶液首次用于液膜分离乙烯/乙烷的研究当中。通过氮气压力将这种二元金属氯盐低共熔溶液注入到聚偏二氟乙烯膜微孔之中，以制备支撑液膜。支撑液膜分离乙烯/乙烷的性能由乙烯/乙烷气体分离实验进行评价。实验发现，相比与0.5[BMIM][Cl]-CuCl组成的低共熔溶液支撑液膜，0.5[BMIM][Cl]-CuCl-1/15ZnCl2组成的二元金属氯盐低共熔溶液支撑液膜对于乙烯/乙烷分离的选择性由10.7增加到了17.8，而乙烯渗透通量有微弱的下降，从28.6barrer下降到25.8barrer。同时，基于0.5[BMIM][Cl]-CuCl-1/15ZnCl2组成的二元金属氯盐低共熔溶液支撑液膜展现了超过150h时的稳定性。运用电喷雾质谱、拉曼光谱和量子化学计算对ZnCl2提升Cu+载体活性进行了探究与分析。拉曼光谱表明ZnCl2加入到[BMIM][Cl]/CuCl低共熔溶液中后，Cu-Cl键的键强减弱，Mayer键级由0.7337减小到0.6502。通过量子化学计算对这个过程的机理进行了解释：ZnCl2加入到[BMIM][Cl]/CuCl低共熔溶液中后，CuCl-2中的Cl-上的电子往Zn2+进行了电子转移，这导致Cu-Cl的键强减弱，使得Cu+载体的活性得到了提高。 本研究为提高Cu+载体对乙烯/乙烷混合气选择性分离效果提供了一种新思路，并进行了机理探究，为烯烃/烷烃膜分离工艺发展做出贡献。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 研究背景

1.1.1 乙烯工业发展

1.1.2 乙烯生产工艺

1.1.3 乙烯和乙烷的结构与性质

1.2 乙烯/乙烷分离方法

1.2.1 深冷分离

1.2.2 吸收分离

1.2.3 吸附分离

1.2.4 膜分离

1.3 π-络合机理

1.4 支撑液膜膜液

1.4.1 离子液体

1.4.2 低共熔溶液

1.5支撑液膜分离乙烯/乙烷

1.5.1 支撑液膜的分离原理

1.5.2 支撑液膜分离乙烯/乙烷研究进展

1.6 本课题研究内容

第2章 实验材料的制备与测试方法

2.1 引言

2.2 二元金属氯盐低共熔溶液的制备

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 制备流程

2.3 支撑液膜的制备

2.3.1 实验材料和装置

2.3.2 支撑液膜制备流程

2.4 膜分离性能测试试验

2.4.1 实验装置及流程

2.4.2 实验步骤

2.4.3 数据处理

2.5 气体吸收实验测试

2.5.1 实验装置

2.5.2 实验流程

2.5.3 数据处理

2.6 粘度性质

2.7本章小结

第3章 二元金属氯盐低共熔溶液支撑液膜分离乙烯/乙烷研究

3.1引言

3.2 膜分离性能测试实验

3.2.1金属氯盐的影响

3.2.2 低共熔溶液组成的影响

3.2.3 操作温度的影响

3.2.4 跨膜压差的影响

3.2.5 稳定性实验

3.2.6支撑液膜分离性能比较

3.3 气体吸收实验

3.4 机理分析

3.4.1 质谱分析

3.4.2 红外光谱分析

3.4.3 拉曼光谱分析

3.5 本章小结

第4章 量子化学计算及机理分析

4.1 引言

4.2 量子化学计算

4.2.1 几何构型优化计算

4.2.2 体系能量计算

4.2.3 模拟拉曼光谱

4.2.4 NBO轨道分析

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢