吡啶类离子液体材料设计及酸性气体分离的研究

摘要

随着社会经济的不断发展，煤、石油、天然气等化石燃料的消耗量持续增加，天然气是一种可替代煤和石油的清洁能源，但天然气中含有大量的酸性气体H2S、CO2等，这些气体会对环境造成严重问题如气候变暖和酸雨。此外H2S是一种剧毒且腐蚀性的气体，CO2的存在会降低燃气的热值，因此有效分离和净化这些酸性气体尤为重要。离子液体（ILs）因为低挥发性、高溶解性、结构可调及热稳定性好等优点，已成为气体分离领域备受关注的一类新型吸收剂。目前离子液体在气体吸收方面已有了广泛的研究，但依旧存在粘度大，成本高、工艺复杂等问题，因此针对这些问题设计吸收量较高、粘度和成本较低的吸收剂是至关重要的。本文着重围绕H2S 和CO2两种酸性气体，设计开发了吡啶类离子液体，研究了离子液体物理化学性质、结构与性能关系、吸收机理，在此基础上进行新型吸收-吸附复合材料的设计，进一步提高气体的吸收性能，主要研究内容如下：　　（1）吡啶类离子液体的合成表征及物性测定。采用两步法合成了一系列阳离子包括 [C4Py]+、[C6Py]+、[C8Py]+，阴离子包括 [NTf2]?、[BF4]?、[SCN]?、[N(CN)2]?、[NO3]?的吡啶类离子液体。通过 FT-IR、NMR 等方法对所合成离子液体的结构进行表征，并测定其物理化学性质。发现密度和粘度与温度的变化成反比，同时，阴离子和阳离子结构也会对离子液体的密度和粘度产生影响，阴离子相同时，阳离子烷基链长越长则离子液体密度越小，而粘度随之增大。此外，离子液体的热分解温度远高于吸收和解吸温度，说明吸收和解吸过程中吡啶类离子液体的性质保持稳定。　　（2）吡啶类离子液体选择性分离H2S的研究。测定不同条件下吡啶类离子液体对 H2S 和 CO2的溶解度。结果表明：H2S 和 CO2的溶解度与压力的变化成正比，与温度的变化成反比。H2S在离子液体中的溶解度顺序：[C8Py][SCN] >[C6Py][SCN] > [C4Py][SCN] > [C4Py][NTf2] > [C4Py][NO3] > [C4Py][BF4]。而且，H2S的亨利常数远远小于 CO2 ，表明吡啶类离子液体可以选择性的分离出H2S/CO2，另外，温度是影响选择性的一个重要因素，且 H2S/CO2选择性随温度升高而降低。所有研究的离子液体中 [C4Py][SCN] 具有高的H2S/CO2 选择性达到 8.99 ，这是因为最高的H2S 溶解度和最低的CO2 溶解度。同时[C4Py][SCN] 在五次吸收-解吸实验后吸收性能基本保持稳定，说明该过程可逆且离子液体可循环使用。　　（3）多孔材料/离子液体新型复合材料高效分离 CO2的研究。基于吸收法和吸附法的优势，将多孔材料ZIF-8分散到离子液体中形成新型吸收-吸附材料实现对 CO2的高效捕集。选取对 CO2亲和力强和粘度较低的吡啶类离子液体[C4Py][NTf2] 和 [C4Py][N(CN)2]，与不同比例的多孔材料 ZIF-8 复合，制备不同配比的ZIF-8/离子液体复合材料，对复合材料结构表征及物性测定，开展CO2吸收性能及机理研究。结果表明：CO2在复合材料中的溶解度与压力的变化成正比，与温度的变化成反比。ZIF-8的含量对吸收性能有很大的影响，ZIF-8的含量越大吸收性能越好，当16.96wt% ZIF-8（实际ZIF-8含量）加入离子液体[C4Py][NTf2] 中时溶解度最高摩尔分数达到0.47，相比纯离子液体提高24%。通过FT-IR和NMR吸收机理分析表明吸收后的产物中没有新物质产生，说明多孔材料/离子液体复合材料吸收 CO2是物理吸收过程。

目录

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