離子液體[emim]Ac密度和電導率的實驗與理論研究

何麗娟，陳帥帥，李松波，劉素霞，田寶云

(1.內蒙古科技大學 能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010；2.包頭鋼鐵職業技術學院，內蒙古 包頭 014010)

離子液體是一種由陰陽離子組成、熔點在室溫或室溫以下、呈現出液體狀態的熔融鹽[1]。近年來，國內外學者對離子液體的物性(例如密度、粘度和電導率等)進行深入研究[2-7]。段文斌等用Arrhenius方程和Vogel-Fulcher-Tamman(VTF)方程關聯了[C2mim]Gly等5種甘氨酸離子液體的電導率隨溫度的變化規律，得出模型關聯的相關系數均可高達0.99[8]。林明穗等使用多項式方程關聯了離子液體[(CH3CH2)2NH2][HSO4]和[(CH3CH2)3NH][HSO4]的密度值，結果得出模型關聯的平均相對偏差分別為0.003%，0.001%[9]。

針對目前離子液體[emim]Ac密度和電導率數據缺乏的現狀，通過實驗測定離子液體[emim]Ac的密度和電導率，并在實驗數據的基礎上選擇合適的模型進行理論關聯，為離子液體[emim]Ac的進一步研究提供了基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

[emim]Ac(99%)；蒸餾水。

DZF-6020真空干燥箱；SPY-Ⅲ玻璃恒溫水浴；FA1104電子分析天平；DDS-307A數顯電導率儀。

1.2 實驗可靠性檢測

為驗證實驗設備的可靠性，選用溫度298.15 K、壓力101.325 kPa下的蒸餾水對各實驗設備的可靠性進行了檢測，測定的實驗值與蒸餾水的相關查詢值進行對比，結果見表1。

表1 蒸餾水實驗值與查詢值對比Table 1 Comparison between experimental andreferrence values of distilled water

由表1可知，由實驗設備測定的蒸餾水密度和電導率值與查詢值具有高度吻合性，相對誤差在實驗允許范圍內，故認為所選實驗設備具有較高的精度，可用作離子液體[emim]Ac密度和電導率實驗數據的測定。

1.3 離子液體[emim]Ac密度和電導率測定

1.3.1 密度測量 用電子分析天平稱量經清洗干燥后的50 mL燒杯質量m1。用離子液體[emim]Ac對10 mL移液管進行潤洗。量取50 mL離子液體[emim]Ac于100 mL燒杯中，水浴加熱。用移液管取10 mL離子液體[emim]Ac于50 mL燒杯中，測定298.15，308.15，318.15，328.15，338.15 K下燒杯與離子液體[emim]Ac的總質量m2，則m2-m1為10 mL離子液體質量，計算離子液體[emim]Ac的密度值。

1.3.2 電導率測量 量取50 mL離子液體[emim]Ac于100 mL燒杯中，水浴加熱，用數顯電導率儀測定離子液體[emim]Ac在298.15，303.15，308.15，313.15，318.15 K下的電導率值。測量3次，取平均值。

1.4 離子液體[emim]Ac密度和電導率模型

1.4.1 密度數據模型關聯 離子液體密度隨溫度的升高呈現出逐漸降低的線性變化趨勢，因此可用誤差相對較小的線性關系式進行離子液體密度數據的關聯預測，其表達式為：

ρ=A-BT

(1)

式中，ρ為粘度；T為熱力學溫度，K；A、B均為線性方程的相關參數。

1.4.2 電導率數據模型關聯 溫度與電導率的關系用Vogel-Tammann-Fulcher(VTF)方程進行關聯，其表達式為：

κ=κ0exp[-C/(T-T0)]

(2)

式中，κ為電導率；κ0、C和T0為VTF方程的經驗常數；T0的值為273.15 K；T為熱力學溫度。

2 結果與討論

實驗測定的離子液體[emim]Ac的密度和電導率數據見表2。

表2 離子液體[emim]Ac的密度和電導率Table 2 Density and conductivity of ionic liquid [emim]Ac

由表2可知，在壓力101.325 kPa，溫度變化范圍為298.15～338.15 K時，離子液體[emim]Ac的密度隨溫度的升高出現逐漸降低的趨勢；電導率隨溫度的升高出現逐漸增大的趨勢。

2.1 離子液體[emim]Ac密度

離子液體[emim]Ac的密度隨溫度的變化規律見圖1。在溫度范圍為298.15～338.15 K時，密度值為1 072～1 024 kg/m3。

圖1 [emim]Ac密度隨溫度變化實驗測定及模型預測結果Fig.1 [emim]Ac density values of experimental andmodel prediction with temperature

由圖1可知，離子液體[emim]Ac的密度隨溫度的升高呈現出逐漸降低的變化趨勢，且下降的趨勢基本呈現出線性變化的規律。

由圖1計算得出線性方程參數A、B分別為1 415.9，-1.16，相關系數R2為0.991 7，最大相對偏差和平均相對偏差分別為1.43%和0.82%。可知離子液體[emim]Ac密度的模型預測值與實驗測定值吻合度良好，故認為線性方程對離子液體[emim]Ac的密度預測具有較高可信性。

2.2 離子液體[emim]Ac電導率

離子液體的電導率大小受離子液體的粘度影響，溫度是影響粘度的主要因素，故溫度值對電導率的影響也至關重要。實驗測定了標準大氣壓下，溫度范圍298.15～338 K時離子液體[emim]Ac的電導率，以溫度T作為橫坐標，電導率κ作為縱坐標作圖，結果見圖2。電導率值的范圍為0.369～0.983 S/m。

因為離子液體的粘度值較大，所以隨溫度的升高離子液體粘度減小的趨勢較為明顯。同時在溫度升高時，離子遷移速度增大，因此隨溫度的升高，離子液體電導率的值逐漸增大。

圖2 [emim]Ac電導率隨溫度變化實驗測定及模型預測結果Fig.2 [emim]Ac conductivity values of experimental andmodel prediction with temperature

由圖2計算的參數κ0和C分別為1.766 9和40.34，相關系數R2高達0.982 6，最大相對偏差和平均相對偏差分別為2.91%和2.65%。因此，VTF方程可用于離子液體[emim]Ac電導率的預測。

3 結論

(1)實驗測定了溫度298.15～338.15 K的離子液體[emim]Ac的密度和電導率，分別為1 072～1 024 kg/m3、0.369～0.983 S/m；隨著溫度的升高，[emim]Ac的密度逐漸減小，電導率逐漸增大。

(2)由模型預測的[emim]Ac的密度和電導率數據與實驗測定數據相比，各平均相對偏差和最大相對偏差分別為0.82%，2.65%和1.43%，2.91%，可知所選模型具有較高的精度，可用于[emim]Ac密度和電導率數據的關聯。