离子液体吸收氨气的应用基础研究

摘要

针对现有NH3吸收技术的局限性和离子液体的几乎不挥发、溶解性强等优良特性,本文提出了利用离子液体固定转化NH3、实现从工业废气到化工产品的资源化利用过程。系统地研究了常规咪唑类离子液体与NH3的相平衡关系,以期为离子液体固定转化NH3提供了理论依据,并为离子液体数据库提供物性和热力学数据。
　　 (1)搭建了气液相平衡装置。采用静态法和在0～1MPa压力范围内,分别测定了293.15K、298.15K、313.15K、323.15K、333.15K温度下、NH3在离子液体[CnMIM][BF4](n=2,4,6,8,)中的溶解度。结果表明,氨气在所研究的离子液体中的溶解度随压力的升高而升高,随温度的降低而升高,随离子液体中阳离子烷基碳链链长的增加而增大。
　　 (2)建立了氨气溶解于离子液体的热力学模型,计算出溶解过程中的△solG、△solH、AsolS和△solCp等热力学性质。
　　 (3)研究了水含量对氨气在离子液体[C8MIM][BF4]中溶解度的影响。测定温度为313.15K,压力在0～1MPa之间时,NH3在水含量分别为0.93％,21.28％,28.67％的[C8MIM][BF4]中的溶解度。研究结果表明,纯[C8MIM][BF4]对氨气的溶解能力高于少量含水的[C8MIM][BF4],并且在测定范围内随着水含量的增加,[C8MIM][BF4]对氨气的溶解能力减弱。这是因为,氨气在[C8MIM][BF4]中的溶解主要为物理吸收过程,在此过程中氨气需占据[C8MIM][BF4]结构中的空穴位置。当在[C8MIM][BF4]中加入少量的水时,水分子将占据离子液体分子间的空隙,从而导致离子液体可吸收氨气的体积减少,所以在离子液体为主相区内随着水含量的增加,[C8MIM][BF4]对氨气的吸收能力减弱。
　　 (4)根据NH3的碱性以及离子液体的可设计性,合成了两种酸性离子液体:[HSO3MIM][BF4]和[HSO3MIM][HSO4]。研究了氨气在其中的溶解行为。结果表明,氨气与两种酸性离子液体发生化学反应,生成中间体1-甲基-3-丁基咪唑磺酸盐和相对应的铵盐。常温常压下氨气在[HSO3MIM][BF4]和[HSO3MIM][HSO4]两种酸性离子液体中的溶解度分别为0.8578和0.9024。