离子液体应用研究进展

王景梅

(新乡职业技术学院 ,河南新乡 453006)

离子液体应用研究进展

王景梅

(新乡职业技术学院 ,河南新乡 453006)

对离子液体在电化学、萃取分离、化学、环境、食品、生物技术、材料科学等方面的应用研究进展进行综述,并提出了发展建议。

离子液体 ;应用 ;进展

离子液体又称室温离子液体或室温熔融盐,是指在室温或室温附近呈液态,并由阴阳离子组成的物质,具有很多独特的理化性质,如蒸气压低、热容量大、离子导电率高、电化学窗口宽、水稳定性好、酸碱稳定性好等。离子液体作为一类新型绿色介质,已成为国际科技前沿和焦点。目前离子液体已在电化学、萃取分离、化学、环境、纺织、食品、生物技术、材料等诸多领域都得到开发和应用。

本文主要对近年来离子液体在电化学、萃取分离、化学、环境、食品、生物技术、材料科学等方面的应用研究进展进行综述。

1离子液体在电化学中的应用

电化学是离子液体最先应用的领域。随着离子液体种类的迅速增加,离子液体在电化学领域的研究也不断拓展。

1.1离子液体在锂离子二次电池中的应用

锂离子电池具有工作电压高、比能量大、自放电小、循环寿命长、无环境污染等突出优点,被称为绿色电池,人们不断为其寻求高离子导电性的固体电解质材料。Macfarlane等[1]设计了离子液体为塑晶网格,将锂离子参杂其中,这种晶格旋转无序且存在空位,锂离子可在其中快速移动,导电性好,使离子液体在二次电池的应用前景广阔。Bockis等[2]合成了以吡啶阳离子为基础的离子液体,可在较宽的温度范围内和锂稳定共存,以它为电解质装配的L iMnO4/Li电池显示了较高的重放电循环效率 (>96%)。

1.2离子液体在太阳能电池中的应用

离子液体的热稳定性及高离子导电率等特性使其非常适合替代传统有机溶剂电解质用于光电化学太阳能电池的电解液,且能增强电池的稳定性和寿命。Kang等[3]合成了碘化 1-乙烯基 -3-庚基甲基咪唑鎓盐 (VHpⅡ)离子液体作为燃料敏感化太阳能电池的电解液,发现碘化锂添加物的 VHpⅡ型燃料敏感化太阳能电池的能量转化率得到提高,光电池性能明显增加。

1.3离子液体在燃料电池中的应用

燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池不受卡诺循环限制,能量转化效率高、洁净,从而倍受人们的青睐。Hagiwara等[4]用 [emim](HF)nF离子液体构造了燃料电池,显示了其作为燃料电池电解液有很好的性能。

1.4离子液体在金属电沉积中的应用

离子液体作为电解液电化学沉积各种金属、合金、半导体材料等,可以获得在传统溶剂中不能发生电沉积的材料及室温下沉积一些传统方法在高温才能沉积出来的材料,还可以通过改变离子液体的性质和电化学参数来调节粒径的尺寸和合金的组成。Katayama等[5]用离子液体 [Em im]BF4作为镀银的无毒试剂。La可以在 AlCl3型离子液体电沉积得到[6]。金属 Zn、Co、Ti、Ni、Pd、Hg、Sn、Bi、Tl、Pb、Au、Cu等在不同离子液体中的电化学沉积也有相关报道[7]。

1.5离子液体在电化学合成中的应用

电化学合成技术是在电化学反应器内进行以电子转移为主的合成有机化合物的清洁生产技术。邓友全等[8]在室温常压无催化剂的条件下在[bm im]BF4、[bm im]PF6、[bpy]BF4离子液体中电化学活化CO2与环氧化合物反应,合成环状碳酸酯,离子液体重复使用 5次催化活性没有明显降低。

1.6离子液体在毛细管电泳方面的应用

毛细管电泳作为很好的电化学分离手段,广泛应用于金属离子、药物、蛋白质等的分离和检测。但由于其硅管壁带负电荷,能够吸附正离子和生物大分子的正电荷部分,严重影响了分离效果;而离子液体的毛细管覆盖技术可以减少吸附作用,使分离效果和重现性都很好。目前报道用作毛细管覆盖的离子液体多为咪唑类[9]。

2离子液体在萃取分离中的应用

2.1离子液体萃取有机物

离子液体蒸气压低,液态范围广,对很多有机物有显著而不同的选择性,在萃取分离有机物领域应用非常广泛。如多环 -N-烷基异喹啉盐[Cnisoq]与[BFTI]结合形成的离子液体萃取芳香族化合物特别是氯苯效率很高[10]。[bmim][PF6]可萃取水中苯的衍生物甲苯、苯胺、苯甲酸等,萃取后离子液体可循环使用[11]。疏水性离子液体 [bmim]PF6附于干净的 PDMS膜上用于从水中回收醋酸[12]。顾彦龙等[13]利用[Mbim]Cl为浸取剂在较温和条件下实现了Na2SO4和牛磺酸固体混合物的分离,牛磺酸的收率达到 97%以上。

2.2离子液体萃取金属离子

离子液体具有绿色环保、易回收的特点,非常适合用于萃取金属离子,已成为国内外离子液体研究的热门领域。在萃取过渡金属离子、碱金属[14]、碱土金属、锕类和放射性金属方面都有深入的研究。Thied等[15]研究了离子液体[bmim][PF6]中加入硝酸来溶解用过的燃料回收金属,对回收铀和钚特别有效。Soufiane等使用离子液体和超临界 CO2从水中萃取镧系元素。通过水 /离子液体 /超临界 CO2萃取镧和铕,萃取率高达 87%。

2.3离子液体用于气体分离

离子液体可以选择性的溶解气体,在气体分离上有广阔的前景。Ortiz等[16]用含有银离子的 BmimBF4水溶液通过配位作用从丙烷 /丙烯混合物中吸收丙烯,该体系与传统吸收剂相比显示了更高的分离效果和环保效果。Ruth等[17]用处理过的离子液体膜去除燃料煤工厂产生的 CO2有很好的效果。

3离子液体在化学中的应用

离子液体具有良好的溶解性能,能溶解无机物、金属有机物、高分子聚合物。另外可根据反应和反应后处理需要设计调整离子液体阴阳离子结构,使反应在均相中进行,后处理分层非均相操作。还可改变反应机理,诱导出新的催化活性,提高反应转化率和选择性。还出现了离子液体与微波、超声波等偶合技术。因此,离子液体作为新型的反应介质或催化剂得到广泛应用,如偶联反应、Michael加成、Diels-Alder反应、环化反应、烷基化反应、酰基化反应和氧化—还原反应、催化反应、聚合反应等。徐兆瑜[18]综述了利用离子液体参与合成多种医药及中间体取得的进展,并且有些医药技术藉助离子液体的良好特性,可以加速反应,提高产品质量和产率,减少污染和降低成本等。

4离子液体在环境科学中的应用

4.1离子液体在空气污染治理中的应用

随着社会的发展,工业废气、汽车尾气以及家庭装修等人类活动造成的环境污染日趋严重,研究表明利用离子液体吸附技术治理空气污染具有效率高、能耗低、工艺简单、适用范围广等特点,已取得很大进展。

Genisson等[19]用离子液体吸附技术对含有SO2、NH3、H2S及苯污染物等室内空气进行净化实验,四种污染物都有较好的去除效果。离子液体还可有效清除空气中的颗粒物、尘埃和细菌,如Welton等[20]报道用离子液体净化含甲醛、苯、悬浮微粒、细菌的室内空气,发现其浓度都有所降低。

近年来离子液体吸附技术用于汽车尾气污染治理的报道很多。如Wei等[21]研究了离子液体参与的氧化/萃取同时进行的汽油脱硫体系。Tamar等[22]把离子液体作为吸附剂用于净化汽车尾气有显著效果。另外 Wu等[23]合成了功能化离子液体对工业烟气中的 SO2进行脱除。Eber等[24]用离子液体萃取汽油和柴油中的 S化合物、N化合物,可使硫含量降至 10×10-6或更低。

4.2离子液体在工业污水处理中的应用

针对离子液体对微溶有机物及油类物质的独特的萃取分离作用,已有许多离子液体成功分离出油田污水中的苯酚、苯胺等芳香族化合物的报道[25]。另外根据离子液体对水相中有机污染物的萃取规律,离子液体对印染废水、化工制药废水的处理也有很大的优势。同时由于离子液体的可设计性,可尝试合成适应处理这些污水的功能性离子液体。

4.3离子液体从天然气中脱除 CO2、H2S酸性气体

天然气中 CO2、H2S的存在会降低其燃烧价值且给环境带来污染。Song等[26]发现用咪唑盐溶解[bmim]PF6的混合液去除天然气中 CO2、H2S有较好的效果。Lee等[27]以特定离子液体作为流动相的支撑液膜,能有效地从天然气中分离出 CO2、H2S,离子液体均匀的分布在聚二氯乙烯中,具有较高的稳定性。

4.4离子液体对固废资源的降解

含有少量无机酸的酸性氯化铝离子液体能使废塑料有效降解为有用小分子。如聚乙烯在[emim]Cl-AlCl3/[emim][HCl2]、LiCl-AlCl3/H2SO4体系中降解为大量低分子烷烃,收率可达 95%。废旧光盘在酸性 [bmim][AlCl4]/H2SO4介质中,有效地降解为单体碳酸二苯酯,收率为 63%[28]。

5离子液体在食品工业中的应用

5.1离子液体在食品工业合成和分离中的应用

利用离子液体合成食品工业溶剂,能够实现反应绿色化提高催化活性。慰志苹等[29]利用 1-己基吡啶四氟硼酸盐离子液体作为溶剂和催化剂合成食品工业常用的乙酸乙酯溶剂。反应中离子液体具有催化活性,反应选择性为 100%,分离后离子液体重复使用 5次活性没有降低。徐晓东等[30]用离子液体N-甲基咪唑四氟硼酸盐合成 8种香料化合物。

分离提纯回收产物一直是食品合成中的难题。研究发现离子液体独特的理化特性非常适合分离提纯。邓凡政等[31]建立了离子液体和 NaH2PO4组成的双水相萃取体系并用于芦丁的分离,结果显示萃取效果很好。离子液体在分离生物活性物质 (氨基酸、蛋白质等)方面表现了高效性和高选择性,特别是功能化离子液体与超临界 CO2技术、膜技术、双水相萃取技术相结合,不仅能使分离效率提高,而且能够为生物活性物质提供温和的环境,产品活性得到最大的保持[32]。

5.2离子液体在食品废弃物回收利用中的应用

在环境和能源危机的严峻形势下,离子液体作为介质用于食品工业的固体废弃物的回收和循环利用具有重大的研究价值。如将废弃油脂转化为生物柴油的研究:张磊等[33]制备并利用离子液体为催化剂进行大豆油脂交换反应制备生物柴油,产物中脂肪酸甲酯收率可达 96.5%,离子液体可循环使用。

6离子液体在生物技术方面的应用

离子液体以其独特的性能解决了淀粉改性研究面临的溶解性差的难题,促进了淀粉的结构修饰研究,使很多功能性官能团以各种方式引入淀粉,从而形成如醚化淀粉、接枝共聚淀粉等多种淀粉衍生物,使其拥有更多更好的性能,可以来取代由石油产品合成的难以降解的一些高聚物。离子液体还可作为纤维素的直接溶剂,能最大限度的保留天然纤维素的特性,并可通过水、乙醇、丙酮等溶剂将溶解的纤维素析出。

离子液体能溶解许多化合物,且不像极性有机溶剂那样易使酶失活,许多酶在离子液体中的稳定性高于有机溶剂中,因而它们作为绿色反应介质成为酶催化反应的溶剂。

7离子液体在材料科学中的应用

近年来离子液体在材料科学领域也得到了深入研究。如利用离子液体中溶解少量有机分析物使其黏度迅速降低的特点,可充当敏感材料检测有机挥发物。利用离子液体宽液态范围、热稳定性好,作为润滑材料具有很大的优势。而且也能解决苛刻条件下的润滑剂凝固、氧化分解和挥发流失现象,在航空、机械等领域具有应用前景。英国研究人员将憎水性离子液体用作药物的储存剂,构成可控药物释放系统。基于离子液体的功能材料,如储能材料、光学材料、智能材料、电学材料等,会是未来几年研究的新热点。

8结束语

离子液体本身独特的理化特性,使它在电化学、化学、萃取分离等领域具有较大的应用价值,同时其种类繁多,可以根据不同需要改变阴阳离子来调节理化性质,达到不同的应用目的,在科学界和工业生产中将发挥巨大的作用。

目前离子液体的研究和开发存在着实验数据缺乏、价格昂贵、某些离子液体本身有毒且难降解等问题,因此如何降低成本,设计合成更多对环境友好的离子液体,成为挑战性的课题,需要近一步的深入研究。

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TQ050.7

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1003-3467(2010)24-0008-04

2010-12-31

王景梅 (1977-),女,助教,硕士,研究方向:有机合成,E-mail:jingmeiwang@sohu.com。