CO2-[emim][Tf2N]的汽液相平衡實驗研究

何麗娟，王荻，吳心偉，馬文清

(內蒙古科技大學 能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010)

近年來，隨著制冷技術的發展，在吸收式制冷系統中利用低品位的熱源作為動力，具有結構簡單、節能環保等特點。研究表明[1]，傳統型吸收式制冷工質對在使用過程中存在著如氨汽化潛熱小、可燃有毒；H2O-LiBr不能制取0 ℃以下的冷量；氟利昂具有較高的GWP和ODP[2]。必須要尋找一種新型的吸收式制冷工質對。

CO2被稱為R744制冷劑，具有無毒無害、良好的熱力學性能等優點[3-4]。離子液體是一種新型的綠色溶劑，在室溫或者室溫相近溫度下為液態的熔鹽體系，其蒸汽壓低，化學穩定性良好，且通過改變其陰陽離子可以調節化學或者物理性質[5]。

本文選用離子液體[emim][Tf2N]和CO2作為汽液相平衡實驗研究對象，并得出數據，為關聯計算熱力學性質奠定良好的基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟磺酰亞胺鹽(純度99%)，分析純；CO2(純度99.99%)。

平衡釜(由PSG-100 mL型不銹鋼加工而成，有效容積100 mL，設計承壓20 MPa，設計工作溫度為-20～100 ℃)；緩沖罐(同反應釜的設計一致)；79-1型磁力攪拌器；SY-PG3300型壓力變送器；ZMD-Z型精密電子天平；K型熱電偶。

1.2 實驗方法

自行設計并搭建相平衡測定試驗臺，實驗裝置流程圖見圖1。主要由測量系統、控制系統和恒溫系統組成。其中測量系統包括平衡釜、熱電偶；控制系統包括壓力變送器、安捷倫采集器、計算機、溫度控制器、磁力攪拌器、溫度探測器、攪拌器；恒溫系統包括恒溫水浴、加熱器。

圖1 相平衡實驗裝置流程圖Fig.1 Phase balance experimental device flowchart1.離子液體[emim][Tf2N]；2.平衡釜；3.恒溫水浴；4.壓力傳感器；5.熱電偶；6.安捷倫采集器；7.電腦；8.溫度控制；9.磁力攪拌器；10.加熱器；11.溫度探測器；12.攪拌器

(1)氣密性實驗將氮氣分10次充入平衡釜中，每次充入0.2 MPa，直至平衡釜內壓力為2 MPa，保持此狀態2 d后，觀察平衡釜內的壓力值為2 MPa。認為系統氣密性良好，可用于相平衡實驗。

(2)測量[emim][Tf2N]的質量，并倒入平衡釜中，進行抽真空處理后，將緩沖罐中的CO2充入到平衡釜中，進行兩相混合。

(3)將平衡釜放入到調整為實驗溫度要求值的恒溫水浴箱中進行實驗測定，對實驗過程中的溫度及壓力數據進行實時采集。

(4)當CO2-[emim][Tf2N]體系達到平衡狀態時，記錄實驗溫度和壓力值。

通過公式x=ng/(ng+nl)計算得到相平衡時CO2-[emim][Tf2N]的溶解度(其中ng為CO2的摩爾質量，nl為離子液體的摩爾質量)。

2 結果與討論

2.1 [emim][Tf2N]對CO2的吸收

在溫度263.15～358.15 K、壓力0.17～2.45 MPa條件下，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的相平衡數據見表1。

表1 溫度在268.15～358.15 K下，CO2-[emim][Tf2N]系統汽液相平衡數據Table 1 Vapor-liquid equilibrium data for CO2-[emim][Tf2N] system at temperatures of 268.15～358.15 K

注：①此行數據為溶解度。

由表1可知，當溫度為263.15 K，壓力為1.01 MPa時，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度可達到0.535。

2.2 溫度對[emim][Tf2N]吸收CO2的影響

由表1和圖2可知，系統壓力為定值時，當溫度為278.15 K時，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度為0.483，當溫度升高為288.15 K時，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度為0.444。由此可知，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度隨著溫度的升高而逐漸減小。這是由于溫度升高導致離子液體[emim][Tf2N]的粘度、密度及表面張力等性質減弱，使得其自身的活化能變強，分子間相互作用力減弱，從而對CO2的吸收量減弱。

圖2 在溶解度0.011～0.241下溫度、壓力對離子液體[emim][Tf2N]吸收CO2的影響Fig.2 Effect of temperature and pressure on CO2 absorption of ionic liquid [emim][Tf2N] under solubility of 0.011～0.241

2.3 壓力對[emim][Tf2N]吸收CO2的影響

由圖2和圖3可知，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度為0.011～0.162時，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢不明顯；CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度為0.241～0.535時，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢比較明顯。

圖3 在溶解度0.366～0.535下溫度、壓力對離子液體[emim][Tf2N]吸收CO2的影響Fig.3 Effect of temperature and pressure on CO2 absorption of ionic liquid [emim][Tf2N]under solubility of 0.366～0.535

3 結論

選用新型吸收式制冷工質對CO2-[emim][Tf2N]進行汽液相平衡實驗，得到以下主要結論：

(1)溫度和壓力均是影響[emim][Tf2N]吸收CO2的重要因素。當系統壓力不變時，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度隨著溫度的升高而逐漸減小；當系統溫度不變時，CO2在離子液體中的溶解度隨壓力升高而升高。

(2)CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度在0.011～0.162的范圍內，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢不明顯；CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度為0.241～0.535的范圍內，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢比較明顯。

(3)當溫度為263.15 K，壓力為1.01 MPa時，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度最大值可達到0.535。