(徐宏建, 王美霞, 常加濤, 潘衛(wèi)國

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海　200090)

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功能型離子液體制備及應(yīng)用的試驗研究

(徐宏建, 王美霞, 常加濤, 潘衛(wèi)國

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海200090)

綜述了離子液體的制備方法及輔助合成手段的研究進展,包括一步合成法、兩步合成法、微波合成法、超聲波合成法,并介紹了其在CO2,SO2,NOx及重金屬Hg等多種污染物聯(lián)合脫除技術(shù)中的應(yīng)用.

離子液體; 制備; CO2脫除

目前在工業(yè)的污染物脫除過程中,應(yīng)用較多的是有機胺、石灰石、有機溶劑等化學(xué)物質(zhì),這些物質(zhì)因其具有價廉和高效率等優(yōu)點被大量使用[1],但它們也有諸多缺點,如易揮發(fā)、腐蝕性強、難再生等.本著綠色化學(xué)的基本原則,尋求無害的化學(xué)物質(zhì)來實現(xiàn)多種污染物的聯(lián)合脫除具有十分重要的意義.

有機離子液體是一種由陰陽離子組成的有機熔鹽,在室溫及鄰近室溫下呈液體狀態(tài).離子液體具有極低的飽和蒸氣壓,不易揮發(fā),且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性[2].此外,離子液體還具有分子構(gòu)成多樣化、功能靈活可控等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、環(huán)境治理等領(lǐng)域[3].了解離子液體在各個領(lǐng)域的應(yīng)用,掌握污染物脫除的機理,可從其制備方法入手調(diào)控離子液體的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)其功能化.

1　離子液體的制備

1.1制備方法

有機離子液體的制備按其反應(yīng)原理和合成手段可分為一步直接合成法、兩步合成法、微波制備合成及超聲波合成等.

1.1.1一步合成法

一步合成法也叫直接合成法,其原理是通過路易斯酸、堿中和反應(yīng)或季銨化反應(yīng)得到離子液體中間體.其中間體通過真空干燥脫水和加入有機溶劑萃取結(jié)晶,再用活性炭吸附,最終過濾得到純度較高的離子液有機熔鹽.一步法合成過程操作簡單,無中間產(chǎn)物,且產(chǎn)物的純度較高.

PEI Y C等人[4]采用一步直接法,用N-甲基咪唑和溴代烷反應(yīng),合成了一系列鏈長不同的1-烷基-3-甲基咪唑溴鹽有機離子液體.方東等人[5]省略合成中間產(chǎn)物步驟,提出了用無溶劑一鍋法合成[Bmim][BF4]和[Bmim][PF6]離子液體的新思路,其反應(yīng)式如圖1所示.該方法直接在反應(yīng)結(jié)束后向反應(yīng)體系中加入硝酸銀,檢驗是否有鹵素離子存在,無需純化中間體,操作簡單,不僅節(jié)約了成本,也保證了離子液體的純度.

圖1　　　　無溶劑一鍋法合成1-丁基-3-甲基咪唑鹽離子液體反應(yīng)式

1.1.2兩步合成法

當一步直接法難以合成較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的目標產(chǎn)物時,往往采用二步合成工藝.其原理如下:首先,通過烷基化反應(yīng)制備出含目標陽離子的鹵鹽中間體;其次,利用陰離子置換反應(yīng)或加入路易斯酸反應(yīng)得到最終產(chǎn)物.若加入含目標陰離子的路易斯強酸,加入時應(yīng)注意在攪拌條件下慢慢滴加,同時采取冷卻水裝置循環(huán)冷卻,反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過蒸餾水洗滌至中性,再加入有機溶劑萃取,萃取出的有機相最后經(jīng)真空干燥得到較為純化的有機離子液體[6].

PINTO A M等人[7]通過烷基化反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)合成了[C2C1im][NTf2]離子液體,具體步驟如下:首先,用過量的溴乙烷將1-甲基咪唑烷基化得到[C2C1im]Br,在加熱抽真空條件下除去殘留的溴乙烷;其次,用適量的水溶解[C2C1im]Br,加入Li[NTf2]的水溶液攪拌混合,可以直接觀察到反應(yīng)溶液分層,通過置換反應(yīng)生成了疏水性的[C2C1im][NTf2];第三,反應(yīng)完成后加入二氯甲烷,將有機相(含有離子性液體)從水相(含有Li+和Br-)中萃取出來,有機相再加蒸餾水分液直至向洗滌液中滴加AgNO3水溶液無沉淀生成,說明所獲得產(chǎn)物中殘留的鹵素離子基本除去;最后,將有機相通過減壓除去有機溶劑,然后將產(chǎn)物置于真空干燥箱中70 ℃烘48 h后得到純度較高的有機離子液體最終產(chǎn)物.

ELEANOR D B等人[8]通過兩步法先將氨基引入到咪唑環(huán)上后,除去保護氨基的氫溴酸鹽,然后通過陰離子交換法獲得最終產(chǎn)物,最終獲得的離子液體產(chǎn)率為58%.

1.1.3微波合成法

微波合成法是一種利用強電磁波,將合成試劑在微波作用下激發(fā)離解,迅速產(chǎn)生高能態(tài)的自由基,增加反應(yīng)體系中的活化分子,極大地提高了反應(yīng)速率,微波作用對目標產(chǎn)物合成的選擇性和產(chǎn)率的提高均十分有利.但微波合成法也存在缺陷,如離子液體的合成過程中易于出現(xiàn)過熱和失控的情況,產(chǎn)生鹵代烴的氣化及中間產(chǎn)物分解等不利因素.

VARMA R S等人[9]最早研究了利用微波輻射作用合成離子液體的方法,并探索了微波輻射的最佳實驗條件.在家用微波爐中合成離子液體,在沒有加入溶劑的情況下,隨著微波輻射時間的增長,生成較多副產(chǎn)物,目標離子液體產(chǎn)率隨之降低.他們采用微波間歇輻射的方法很好地解決了這一問題,在稍微延長的反應(yīng)時間內(nèi)合成了目標產(chǎn)物,同時離子液體的產(chǎn)率和純度也得到了保證.

劉紅霞等人[10]研究了在帶回流裝置的微波反應(yīng)器中微波輻射對合成常規(guī)離子液體所起的作用,合成了1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽,并在微波輻射下完成了陰離子交換,制得了[Bmim][BF4]和[Bmim][PF6]兩種常規(guī)離子液體.該方法的特點是:在反應(yīng)過程中,無添加有機溶劑萃取,而過量的溴丁烷保證了N-甲基咪唑原料充分反應(yīng),進而保證了目標產(chǎn)物的產(chǎn)率.與傳統(tǒng)的溶劑回流的方法相比,微波法加熱更加均勻,反應(yīng)速率更快,使得離子液體的合成更加高效、環(huán)保.其反應(yīng)式如圖2所示.

圖2　　　　微波合成法合成1-丁基-3-甲基咪唑鹽離子液體反應(yīng)式

1.1.4超聲波合成法

超聲波合成法的原理是利用超聲波的作用,使液體中的顆粒尺寸變小,從而加快非均相化學(xué)反應(yīng)速度.超聲波合成法無需高溫高壓,可在常溫條件下進行有機反應(yīng),從而開拓了有機合成的新路徑.NAMBOODIRI V V等人[11]研究了在無溶劑存在的離子液合成反應(yīng)中的超聲波輔助作用,同時也發(fā)現(xiàn)與甲基咪唑反應(yīng)時幾種鹵化物表現(xiàn)出來的活性也有所不同.烷基氯化物活性較低,需要超聲波作用的時間更長,有時則需要在加熱的條件下進行反應(yīng)才能完成.溴化物和碘化物與甲基咪唑在接近室溫下活性較高,可在極短的超聲處理時間后達到反應(yīng)終點,且合成的離子液體收率較高.

1.2制備方法的綜合比較

直接合成法操作過程簡單,無中間產(chǎn)物,因此獲得的產(chǎn)物純度較高,但其適合的反應(yīng)體系有限.兩步合成法適用范圍廣,離子液體收率高,但是當反應(yīng)在加熱條件下進行時,第一步反應(yīng)加熱耗時耗能,并且為保證產(chǎn)率,加入的鹵化物通常是過量的,因此第二步反應(yīng)時會產(chǎn)生較多鹵化副產(chǎn)物,為提純過程增加難度.微波和超聲波是合成離子液體的輔助手段,對反應(yīng)進程起到促進作用,避免了長時間加熱,實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保,同時獲得的離子液體產(chǎn)率也較高,對實驗室研究具有普遍的實用性,但存在反應(yīng)不易控制、反應(yīng)器價格昂貴等弊端,在面向工業(yè)應(yīng)用時將受到制約.

2　離子液體的應(yīng)用

2.1離子液體在脫碳中的應(yīng)用

趙毅等人[13]發(fā)現(xiàn)將氨基引入離子液體后增加了對CO2的吸收負荷,表明-NH2這一堿性基團可與CO2發(fā)生反應(yīng),并且吸收飽和的離子液體經(jīng)解吸循環(huán)多次后對CO2仍有較好的吸收效果.YU G R等人[14]對氨基功能化室溫離子液體高效吸收煙氣中CO2的過程進行了研究,同時利用分子軌道理論解釋了-NH2和CO2之間的作用機理,由此設(shè)計出了帶有堿性基團的選擇性脫除煙氣中CO2的新型功能化離子液體.XUE Z M等人[15]同時將氨基引入陰陽離子中,合成的氨基酸離子液體對CO2達到了1∶1的吸收效果,并利用紅外光譜分析(FTIR)和13C核磁分析(NMR)探索了其吸收CO2的作用機理,證明是化學(xué)吸收過程.LUO X Y等人[16]研究了一種氨基功能化的吡啶離子液體對CO2吸收的多點協(xié)同作用,結(jié)果表明,N作用點和O作用點的協(xié)同作用引發(fā)了其對CO2高吸收負荷,達到了1.6 molCO2/mol.

JING G H等人[17]研究了[N1111]Gly水溶液吸收解吸CO2的機理.GUO B S等人[18]也研究了[N1111]Gly水溶液吸收CO2后的再生性能,通過核磁和紅外表征發(fā)現(xiàn)[N1111]Gly水溶液的吸收機理與純的[N1111]Gly吸收機理不同,其再生性能與溶液濃度和再生溫度有關(guān),在循環(huán)吸收解吸幾個周期后,其性能基本不變,重復(fù)利用率高.

與傳統(tǒng)的脫碳劑相比,功能化離子液體脫碳工藝具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、蒸汽壓較低、可再生及循環(huán)利用率高、無二次污染及腐蝕設(shè)備問題等優(yōu)點.但目前在探討離子液體對CO2的吸收特性時,實驗室的研究條件大多數(shù)是在高溫高壓下進行,因而在投入實際應(yīng)用的過程中,將面臨系統(tǒng)投資過大、能耗過高、操作復(fù)雜等問題.同時離子液體的成本較高,因此批量化高產(chǎn)率生產(chǎn)將是面臨的十分重要的問題.

2.2離子液體在脫硫中的應(yīng)用

ZENG S J等人[19]研究了一系列熱穩(wěn)定的吡啶鎓系離子液體對SO2的有效捕獲,制備了[C4Py][BF4],[C6Py][BF4]等8種離子液體,結(jié)果發(fā)現(xiàn)[C4Py][SCN]對SO2吸收容量最大,比報道過的咪唑類離子液吸收SO2的容量還要高,這歸因于陰離子間的強靜電相互作用.

YUAN X L等人[20]制備了羧胺類功能化離子液體并表征其性能,還對煙氣中SO2在這些離子液體中的平衡溶解度進行了實驗.研究發(fā)現(xiàn),這些羧胺類功能化離子液體在室溫及環(huán)境壓力下對SO2有很好的吸收效果,例如,1 mol的3-(2-羧乙基)胺乳酸鹽離子液體在常溫常壓下對SO2的平衡溶解度能達到0.459 7 mol.

目前,工業(yè)上吸收SO2大多利用石灰石水溶液、有機胺水溶液,這些方法脫硫成本低廉,SO2吸收效果好,但是對環(huán)境污染較大,循環(huán)利用率低[21-22].與傳統(tǒng)的易揮發(fā)、易損失的吸收劑相比,離子液體不僅可以回收重復(fù)利用,吸收的SO2還可以釋放出來作為硫資源,同時離子液體也更高效、更環(huán)保、更穩(wěn)定.目前用于吸收SO2的離子液體主要有胍鹽類、醇胺類,它們在一定條件下都對SO2具有較高的吸收容量,循環(huán)利用率高,工業(yè)應(yīng)用前景較好.

2.3離子液體在脫硝及除汞中的應(yīng)用

WOLF J C等人[23]采用碘化鉀/聚乙二醇涂料裝填擴散管來脫除煙氣中NO2,研究表明,離子液體[Bmim+][I-]對NO2吸收容量達到300 cm3/m3,NO2脫除率高達99.9%.離子液體蒸汽壓極低,加熱擴散管也沒有形成氣溶膠,但隨著溫度的升高,PEG和甲基咪唑陽離子被氧化,這就導(dǎo)致了NO2的剝蝕能力減小.

BRODER T L等人[24]在室溫下利用不同尺寸的鉑電極,采用循環(huán)伏安法對NO2在 [Emim][NTf2]離子液體中的吸收進行了研究.結(jié)果表明,25 ℃時NO2在離子液體中溶解度為51±0.2 mmol/L,擴散系數(shù)為(1.6±0.05)×10-10m2/s.

王曉偉等人[25]研究了以[OMIM]PF6萃取高效去除水中無機汞離子的方法.研究表明,在[OMIM]PF6萃取水中無機汞離子的過程中,當水相和離子液體相兩相比例為 1∶1時,[C8MIM]PF6的萃取效率可達 70%;當兩相中水相比例增大時,其萃取效率顯著降低.針對此種情況,在萃取前向[C8MIM]PF6中加入一定量的甲基咪唑,萃取效果就會顯著提高,在較高條件下也可以獲得顯著、穩(wěn)定的萃取效果.

2.4污染物聯(lián)合脫除技術(shù)進展

目前,離子液體對CO2和SO2等氣體的吸收在實驗室研究方面已經(jīng)取得顯著的進展,但要實現(xiàn)工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用,離子液必須具備4個基本特性,即吸收量高、解吸再生性能好、粘度低、價格低廉.離子液體分子構(gòu)成多樣化,功能靈活可控,可通過改變其陰陽離子設(shè)計合成功能性離子液體,提高吸收容量.例如,在吸收CO2的過程中,通過改變陽離子可增加CO2的溶解度,但由于同時增加了陽離子的自由體積,幅度改變沒有陰離子大.此外,離子液體可以在較低的溫度下完成再生并循環(huán)使用,但是如何在實現(xiàn)高吸收容量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高解吸性能是實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵.

在工業(yè)應(yīng)用中,可將不同種類離子液體配成混合溶液吸收[26],也可將離子液體配置成水溶液,降低溶液的粘度對于氣體在液相中的傳質(zhì)十分有利.但混合離子液中若含水過多,會增大再生能耗.因此,在設(shè)計合成功能化離子液體時要盡量往低粘度發(fā)展.另外,大多數(shù)離子液體的合成過程都較復(fù)雜,降低成本是實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的必要前提,尋求更經(jīng)濟環(huán)保的制備方法,實現(xiàn)離子液體的大批量制備和工業(yè)應(yīng)用是研究的一個重點.

2.5在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

YASUSHI K等人[27]研究了含1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、FeCl2和FeCl3的二元或三元熔融鹽體系中,二價和三價鐵離子的氧化還原反應(yīng).基于熔融鹽融化溫度低及可逆的氧化還原反應(yīng)的特性,當與合適的氧化還原點對結(jié)合時,該體系就可以用于可充電電池中.

STANISZ E等人[28]應(yīng)用超聲輔助的功能化離子分散液體萃取工藝,結(jié)合冷原子吸收光譜法來測定水中及生物樣品中汞的存在,研究表明,在超聲輔助作用下分析物在萃取離子液體溶劑中的分配系數(shù)大大增加,并且在萃取過程中不需要使用有機溶劑,使其更加節(jié)能環(huán)保.

師引等人[29]研究了把離子液體應(yīng)用到納米氧化鈰的制備中,實驗采用化學(xué)沉淀法液相制取納米氧化鈰粒子,這是目前使用最廣泛的方法.實驗中先用配制好的分散劑和離子液體溶液溶解硝酸鈰,然后加入定量的草酸銨,生成碳酸鈰沉淀前驅(qū)體,離子液體在制備過程中可以起到表面活性劑以及包裹的作用,它附著在沉淀物的表面,有效控制了前驅(qū)體的晶型形貌,再將碳酸鈰沉淀物在高溫下煅燒,就可以獲得相應(yīng)大小粒徑的氧化鈰粒子.

李培等人[30]研究了離子液體作為一種軟模板來組裝介孔材料,這種材料是由表面覆蓋半胱氨酸的自組裝巨型金納米粒子構(gòu)成.由于靜電作用或者配體末端的羧基和氨基基團之間的縮合反應(yīng),覆蓋半胱氨酸的金納米粒子能夠自組裝形成納米線和亞微米球形粒子.球形自組裝粒子在和疏水性離子液[C8mim][PF6]相互研磨時,形成的復(fù)合凝膠涂在玻碳電極上,再用循環(huán)伏安法進行極化,最終形成一種介孔組裝結(jié)構(gòu).該材料具有良好的導(dǎo)電性和生物大分子親和性,且由于比表面積大,以及介孔內(nèi)部的“薄層”效應(yīng),使細胞色素c的氧化還原反應(yīng)顯著增強.

3　結(jié)　語

有機熔鹽型離子液體從其合成到應(yīng)用皆綠色環(huán)保無污染,為綠色工藝開辟了新的道路.離子液體在各類污染物的吸收應(yīng)用中具有巨大的潛力,從其合成方法來看,如何有針對性地引入不同基團以及離子液體的提純是關(guān)鍵問題.另外,要實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還應(yīng)逐步解決以下問題:如何有效降低離子液體的大規(guī)模合成成本;如何強化低壓條件下離子液體對污染物氣體的脫除性能;如何將離子液體回收循環(huán)利用.

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(編輯桂金星)

Experimental Study of Synthesis and Application ofTask-specific Ionic Liquids

(XU Hongjian, WANG Meixia, CHANG Jiatao, PAN Weiguo

(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090, China)

The research progress of the synthesis methods and auxiliary synthesis methods of ionic liquids are introduced,including the one step synthesis method,two step synthesis method,microwave synthesis method and ultrasonic synthetic method.Its application in the removal technology of multiple pollutants including CO2,SO2,NOxand heavy metal Hg is also introduced.

ionic liquid; synthesis; removal of CO2

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.04.020

2015-10-27

簡介：徐宏建(1971-),男,博士,副教授,河南南陽人.主要研究方向為電廠脫硫,工藝氣體凈化,氣液反應(yīng)與反應(yīng)器. E-mail:hongjian_xu@sina.com.

O645.1;X511

A

1006-4729(2016)04-0401-06