气体分离中固定化离子液体制备的探讨

卢庆中山西汾西重工有限责任公司

气体分离中固定化离子液体制备的探讨

卢庆中
山西汾西重工有限责任公司

作为“可设计溶剂”离子液体来说，因其具有较低的蒸汽压和低挥发以及选择性溶解的特点而在气体分离领域备受关注。将固定化离子液体应用到气体分离中能有效提高气体的吸收率和脱吸速率，因而具有良好的前景。

气体分离；固定化离子液体；制备

我们都知道气体在不同离子液体中的溶解度是存在一定区别的，这种区别也直接的关系到某种气体在离子液体中能否发生分离现象，然而在实际试验中某些离子液体的浓度太大，使得液体之间的粘着性较高。当气体与该离子液体进行混合时往往因接触面积的有限性，使得气体之间很难发生分离，所以，为了使分离效果更为显著，一般情况下相关人员将离子液体固定到有机高分子上，从而加速气体与离子液体间的分离。

1 离子液体膜

通常情况下，施工人员将离子液体与多孔膜材料进行有机结合，从而形成一种离子液体膜，这样一方面可加速气体化合物的分离，另一方面也可起到纯化的目的。我们通常选择的最为有效的方式是物理浸渍法，该方法的工作原理是将膜材料的孔中注满离子液体，最终形成一层液膜。物理浸渍法的使用步骤：一是将气体负载在离子液体膜的上游，使其进行针对性的溶解与吸收；二是已被溶解的气体可在一定作用下在液膜内进行传递；三是气体最终在液膜的下游被完全吸收。因为不同气体的溶解度以及传递速率等存在一定的差异，从而为分离提供了一定的条件。

2 气体分离中离子液体膜的制备

早在离子液体膜概念提出以前美国某公司的科研人员已经对一些难挥发的水合物进行深入的分析，并已成功将该水合物负载到微孔膜材料中，从而制成离子液体膜，有效解决了酸性气体之间的分离问题。该公司的科研人员主要是将四己基安息香酸铵负载到微孔载体上，这样所获取的液膜可直接将CO2从CO2和N2的混合物中中清楚的分离出来。然而在实际试验中我们发现CH4在含长链烷基的季铵盐中也具有不同程度的溶解性，而且此液膜对CO2/CH4混合物的筛选性不强，因此将含短链烷基的盐水合物用于CO2/CH4和CO2/H2混合物分离时，CO2透过性则与压力的变化成反比例，在一定程度上可增强传递膜之间的特性。如果CO2/CH4选择性呈增高趋势，则CO2/H2的选择性则会降低。

在随后的一段时间，某科研专家与所属团队将含六氟磷酸阴离子的咪唑类离子液体负载到聚醚砜膜中，从而制的一种能够有效将空气中的CO2彻底分离的离子液体膜，而且该离子液体膜在很多方面都优于其他膜材料。

科研人员通常选择的是一些对水具有高稳定的离子液体像[Tf2N]、[CF3SO3]等，当温度在适宜范围内时CO2在上述离子液体膜中的渗透率比传统的聚合物致密膜渗透率要高出很多倍。据观察我们发现[emim][dca]液膜中CO2/N2选择性最高，CO2透过率也是最佳的。Ilconich等人将[hmim][Tf2N]负载到聚砜和聚醚砜微孔膜中，借助该物质用于模拟煤气化过程中所产生的混合气体，并对其进行分离，由于聚砜膜具有较高的稳定性与耐高温性，因此即便是在很高的温度下，该物质也可正常使用。

研究人员经过多年的研究已证实借助微孔膜为支撑的离子液膜在分离中虽已取得了很高的成效性，，但分离过程中却要在适当的条件下方可进行，即只能在较低的压强下投入使用，若压强较大则离子液体很容易从微孔中被分离出来，最终使膜分离的真正作用被彻底丧失。Bara等学者在一定离子液体的基础上进行聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的交联聚合反应，将离子液体包埋在聚合物膜中，从而增强了离子液体的体积比，然而伴随压力的持续上升，离子液体也会在外力的作用下被挤出，直至脱离聚合物。

为了增强离子液体膜在高压下的稳定性，某专家通过细致、全面的研究后将四种含Tf2N-阴离子的液体负载在纳滤膜上，从而使CO2/N2,H2/CO等混合气体得以有效的分离。这主要原因在于Tf2N型离子液体的阴、阳离子会与纳滤膜的孔结构发生一定的物理或者化学作用，因此当压力过高时该离子液体则很难承受。纳滤膜的种类、材料以及尺寸等都会影响气体的渗透性。某学者则使用低温相分离技术研制出了纳孔聚偏氟乙烯离子液体膜，这种液体膜分布均匀，承载力很高。此种离子液体能够从混合气体中有选择的分离出所需要的气体，而且分离精确度高。而且支撑膜不管是在厚度上亦或是孔径的大小都直接关系着气体的吸收能力以及扩散状况。

通过对离子液体分子结构中导入可聚合的乙烯基，并通过一系列的化学反应最终可制得精密度高、化学负载的离子液体聚合物膜，可有效解决物理负载的离子液体膜在压强不稳定的情况。然而通过相关报道我们得知对CO2,SO2等气体吸收能力的离子液体聚合物则通常是无定型聚合物，与传统聚合物相比较而言其成膜性较低。为了增强成膜性能，某学者采取接枝共聚的方式将P [VBT-MA]和P中引入柔性的聚乙二醇(PEG)侧链，从而制得的P [VBTMA]-}-g-PEG和P-g-PEG具有较好的成膜性。在浓度相同的条件下，P-g-PEG膜的选择透过性更优质。而这种选择上的区别的主导因素是因为溶解度的不同而造成的。在这里要注意是P-g-PEG的选择性要在适宜的温度下才较为有效，若超过此温度，则选择性会大大降低。

3 多孔无机颗粒担载的离子液体的优势

1)由于受到无机载体的作用，多孔无机颗粒所负载的离子液体的力学性能更为优质。

2)多孔无机颗粒所负载的离子液体不受聚合物温度条件的制约，它的使用最佳温度主要由离子液体的分解温度而决定。

3)多孔无机颗粒所负载的离子液体空隙率较之前的有明显的增长，这有助于气体的扩散与吸收，当压强降低时，对其的影响力也是极低的。

4)多孔无机颗粒所负载的离子液体所需的成本低，而且较其他类型的离子液体相比较而言负载量更大。由于离子液体的挥发性低，因此当温度出现变化或是压强出现变动时对其不会造成任何影响。

4 结语

综上所述，固定化离子液体应用在气体分离中可有效解决离子液体浓度过大所带来的困扰，如果要进行大范围的气体分离，则研究人员需要对膜的质量进行进一步的重视，此外还需考虑膜的使用年限，作为固定化离子液体在气体分离未来的主攻方向。

[1]张锁江，袁晓亮，陈玉焕.用醇胺羧酸盐离子液体吸收SO2气体的方法[P].CN1698928,2005.

卢庆中（1978-），男，汉族，山西省长治市黎城县人，本科，工程师，研究方向：机械制造、机电、气体分离，从事的工作：营销工程管理。