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(jì)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(diǎn)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(shí)際試驗(yàn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行有機(jī)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(fù)載在離子液體膜的上游，使其進(jìn)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(jìn)行傳遞；三是氣體最終在液膜的下游被完全吸收。因?yàn)椴煌瑲怏w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(jìn)行深入的分析，并已成功將該水合物負(fù)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(fù)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(shí)際試驗(yàn)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(qiáng)，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(qiáng)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(tuán)隊(duì)將含六氟磷酸陰離子的咪唑類離子液體負(fù)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(fù)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(jìn)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(shí)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(jìn)行，即只能在較低的壓強(qiáng)下投入使用，若壓強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)離子液體膜在高壓下的穩(wěn)定性，某專家通過細(xì)致、全面的研究后將四種含Tf2N-陰離子的液體負(fù)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(kuò)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(fù)載的離子液體聚合物膜，可有效解決物理負(fù)載的離子液體膜在壓強(qiáng)不穩(wěn)定的情況。然而通過相關(guān)報(bào)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(qiáng)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?yàn)槿芙舛鹊牟煌斐傻摹Ｔ谶@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(jī)顆粒擔(dān)載的離子液體的優(yōu)勢

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

2)多孔無機(jī)顆粒所負(fù)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(jī)顆粒所負(fù)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(kuò)散與吸收，當(dāng)壓強(qiáng)降低時，對其的影響力也是極低的。

4)多孔無機(jī)顆粒所負(fù)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(fù)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(qiáng)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(jìn)行大范圍的氣體分離，則研究人員需要對膜的質(zhì)量進(jìn)行進(jìn)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(jī)械制造、機(jī)電、氣體分離，從事的工作：營銷工程管理。