氣體分離中固定化離子液體制備的探討

盧慶中山西汾西重工有限責(zé)任公司

氣體分離中固定化離子液體制備的探討

盧慶中
山西汾西重工有限責(zé)任公司

作為“可設(shè)計溶劑”離子液體來說，因其具有較低的蒸汽壓和低揮發(fā)以及選擇性溶解的特點而在氣體分離領(lǐng)域備受關(guān)注。將固定化離子液體應(yīng)用到氣體分離中能有效提高氣體的吸收率和脫吸速率，因而具有良好的前景。

氣體分離；固定化離子液體；制備

我們都知道氣體在不同離子液體中的溶解度是存在一定區(qū)別的，這種區(qū)別也直接的關(guān)系到某種氣體在離子液體中能否發(fā)生分離現(xiàn)象，然而在實際試驗中某些離子液體的濃度太大，使得液體之間的粘著性較高。當(dāng)氣體與該離子液體進行混合時往往因接觸面積的有限性，使得氣體之間很難發(fā)生分離，所以，為了使分離效果更為顯著，一般情況下相關(guān)人員將離子液體固定到有機高分子上，從而加速氣體與離子液體間的分離。

1 離子液體膜

通常情況下，施工人員將離子液體與多孔膜材料進行有機結(jié)合，從而形成一種離子液體膜，這樣一方面可加速氣體化合物的分離，另一方面也可起到純化的目的。我們通常選擇的最為有效的方式是物理浸漬法，該方法的工作原理是將膜材料的孔中注滿離子液體，最終形成一層液膜。物理浸漬法的使用步驟：一是將氣體負載在離子液體膜的上游，使其進行針對性的溶解與吸收；二是已被溶解的氣體可在一定作用下在液膜內(nèi)進行傳遞；三是氣體最終在液膜的下游被完全吸收。因為不同氣體的溶解度以及傳遞速率等存在一定的差異，從而為分離提供了一定的條件。

2 氣體分離中離子液體膜的制備

早在離子液體膜概念提出以前美國某公司的科研人員已經(jīng)對一些難揮發(fā)的水合物進行深入的分析，并已成功將該水合物負載到微孔膜材料中，從而制成離子液體膜，有效解決了酸性氣體之間的分離問題。該公司的科研人員主要是將四己基安息香酸銨負載到微孔載體上，這樣所獲取的液膜可直接將CO2從CO2和N2的混合物中中清楚的分離出來。然而在實際試驗中我們發(fā)現(xiàn)CH4在含長鏈烷基的季銨鹽中也具有不同程度的溶解性，而且此液膜對CO2/CH4混合物的篩選性不強，因此將含短鏈烷基的鹽水合物用于CO2/CH4和CO2/H2混合物分離時，CO2透過性則與壓力的變化成反比例，在一定程度上可增強傳遞膜之間的特性。如果CO2/CH4選擇性呈增高趨勢，則CO2/H2的選擇性則會降低。

在隨后的一段時間，某科研專家與所屬團隊將含六氟磷酸陰離子的咪唑類離子液體負載到聚醚砜膜中，從而制的一種能夠有效將空氣中的CO2徹底分離的離子液體膜，而且該離子液體膜在很多方面都優(yōu)于其他膜材料。

科研人員通常選擇的是一些對水具有高穩(wěn)定的離子液體像[Tf2N]、[CF3SO3]等，當(dāng)溫度在適宜范圍內(nèi)時CO2在上述離子液體膜中的滲透率比傳統(tǒng)的聚合物致密膜滲透率要高出很多倍。據(jù)觀察我們發(fā)現(xiàn)[emim][dca]液膜中CO2/N2選擇性最高，CO2透過率也是最佳的。Ilconich等人將[hmim][Tf2N]負載到聚砜和聚醚砜微孔膜中，借助該物質(zhì)用于模擬煤氣化過程中所產(chǎn)生的混合氣體，并對其進行分離，由于聚砜膜具有較高的穩(wěn)定性與耐高溫性，因此即便是在很高的溫度下，該物質(zhì)也可正常使用。

研究人員經(jīng)過多年的研究已證實借助微孔膜為支撐的離子液膜在分離中雖已取得了很高的成效性，，但分離過程中卻要在適當(dāng)?shù)臈l件下方可進行，即只能在較低的壓強下投入使用，若壓強較大則離子液體很容易從微孔中被分離出來，最終使膜分離的真正作用被徹底喪失。Bara等學(xué)者在一定離子液體的基礎(chǔ)上進行聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的交聯(lián)聚合反應(yīng)，將離子液體包埋在聚合物膜中，從而增強了離子液體的體積比，然而伴隨壓力的持續(xù)上升，離子液體也會在外力的作用下被擠出，直至脫離聚合物。

為了增強離子液體膜在高壓下的穩(wěn)定性，某專家通過細致、全面的研究后將四種含Tf2N-陰離子的液體負載在納濾膜上，從而使CO2/N2,H2/CO等混合氣體得以有效的分離。這主要原因在于Tf2N型離子液體的陰、陽離子會與納濾膜的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的物理或者化學(xué)作用，因此當(dāng)壓力過高時該離子液體則很難承受。納濾膜的種類、材料以及尺寸等都會影響氣體的滲透性。某學(xué)者則使用低溫相分離技術(shù)研制出了納孔聚偏氟乙烯離子液體膜，這種液體膜分布均勻，承載力很高。此種離子液體能夠從混合氣體中有選擇的分離出所需要的氣體，而且分離精確度高。而且支撐膜不管是在厚度上亦或是孔徑的大小都直接關(guān)系著氣體的吸收能力以及擴散狀況。

通過對離子液體分子結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入可聚合的乙烯基，并通過一系列的化學(xué)反應(yīng)最終可制得精密度高、化學(xué)負載的離子液體聚合物膜，可有效解決物理負載的離子液體膜在壓強不穩(wěn)定的情況。然而通過相關(guān)報道我們得知對CO2,SO2等氣體吸收能力的離子液體聚合物則通常是無定型聚合物，與傳統(tǒng)聚合物相比較而言其成膜性較低。為了增強成膜性能，某學(xué)者采取接枝共聚的方式將P [VBT-MA]和P中引入柔性的聚乙二醇(PEG)側(cè)鏈，從而制得的P [VBTMA]-}-g-PEG和P-g-PEG具有較好的成膜性。在濃度相同的條件下，P-g-PEG膜的選擇透過性更優(yōu)質(zhì)。而這種選擇上的區(qū)別的主導(dǎo)因素是因為溶解度的不同而造成的。在這里要注意是P-g-PEG的選擇性要在適宜的溫度下才較為有效，若超過此溫度，則選擇性會大大降低。

3 多孔無機顆粒擔(dān)載的離子液體的優(yōu)勢

1)由于受到無機載體的作用，多孔無機顆粒所負載的離子液體的力學(xué)性能更為優(yōu)質(zhì)。

2)多孔無機顆粒所負載的離子液體不受聚合物溫度條件的制約，它的使用最佳溫度主要由離子液體的分解溫度而決定。

3)多孔無機顆粒所負載的離子液體空隙率較之前的有明顯的增長，這有助于氣體的擴散與吸收，當(dāng)壓強降低時，對其的影響力也是極低的。

4)多孔無機顆粒所負載的離子液體所需的成本低，而且較其他類型的離子液體相比較而言負載量更大。由于離子液體的揮發(fā)性低，因此當(dāng)溫度出現(xiàn)變化或是壓強出現(xiàn)變動時對其不會造成任何影響。

4 結(jié)語

綜上所述，固定化離子液體應(yīng)用在氣體分離中可有效解決離子液體濃度過大所帶來的困擾，如果要進行大范圍的氣體分離，則研究人員需要對膜的質(zhì)量進行進一步的重視，此外還需考慮膜的使用年限，作為固定化離子液體在氣體分離未來的主攻方向。

[1]張鎖江，袁曉亮，陳玉煥.用醇胺羧酸鹽離子液體吸收SO2氣體的方法[P].CN1698928,2005.

盧慶中（1978-），男，漢族，山西省長治市黎城縣人，本科，工程師，研究方向：機械制造、機電、氣體分離，從事的工作：營銷工程管理。