有机酸离子液体在酸性气体膜分离中的应用

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酸性气体捕集问题已经成为学界和工业界共同关注的焦点之一。气体膜分离技术,由于设备简单、操作方便、能耗低、分离效果好、过程绿色等优点,已经成为一种新型的化工分离技术。但是,普通高分子膜因受Robeson上限的制约,难以同时实现高渗透通量和高选择性,限制了气体分离膜的研究和应用。膜材料的筛选是突破其分离性能的关键,离子液体由于几乎没有挥发性、溶解能力强、分子可设计等优点有望成为新型膜材料用于CO2、SO2等酸性气体分离过程。本文首次提出将四烷基季铵有机酸型离子液体与膜分离技术结合,利用离子液体与CO2、SO2分子之间的可逆化学反应,将其作为膜分离过程中促进传递的载体实现酸性气体的高效分离。本文的具体研究内容主要包括:(1)弱碱性的丁基三乙基铵有机酸离子液体的设计合成及其支撑液膜对CO2的促进传递过程,系统考察了离子液体种类、操作压力、操作温度和含水量对分离效果的影响。(2)弱酸性的丁基三乙基铵有机酸离子液体的设计合成及其支撑液膜对SO2的促进传递过程,同样系统考察了离子液体种类、操作压力、操作温度和含水量对分离效果的影响。通过上述研究,得到如下结论:(1)弱碱性的二元羧酸离子液体([N2224][malonate],[N2224][maleate])支撑液膜对CO2具有优良的分离性能,此类离子液体可以作为运输CO2的载体,在水汽的参与下通过与CO2分子发生可逆化学反应,从而在低CO2偏压下实现优良的渗透通量及分离选择性。在[N2224][maleate]支撑液膜中,当CO2偏压为10KPa时,渗透通量高达2840barrer, CO2/N2与CO2/CH4的分离选择性可达250,220以上。(2)气体偏压和操作温度对于CO2气体在功能化离子液体支撑液膜中的传递和分离具有一定影响。当驱动力增大时,CO2在两种弱碱性的二元羧酸离子液体支撑液膜中的渗透通量降低,在另外三种丁基三乙基铵离子液体中的渗透通量基本保持不变。气体的渗透通量随温度升高而增大,但是渗透选择性降低。(3)弱酸性的单取代二元羧酸离子液体([N2224][H-malonate],[N2224][H-maleate],[N2224][H-glutarate])对SO:具有卓越的分离性能,此类离子液体可以在水汽的参与下与SO2分子形成中间态的八元环状化合物,从而实现SO2的促进传递分离。在[N2224][H-malonate]支撑液膜中,当5O2偏压为15KPa时,渗透通量高达10918barrer,SO2/N2与SO2/CO2的渗透选择性分别可达1390,25以上。(4)气体偏压和操作温度对于SO2气体在功能化离子液体支撑液膜中的传递和分离具有显著影响。当驱动力增大时,SO2在三种弱酸性的单取代二元羧酸离子液体支撑液膜中的渗透通量缓慢增加后逐渐达到稳定,在另外两种有机酸离子液体中的渗透通量呈现反常的非线性增加。气体的渗透通量随温度升高而增大,但是渗透选择性降低。本文主要研究了新型丁基三乙基铵有机酸离子液体支撑液膜对CO2、SO2的促进传递过程,做了初步的探索,为今后酸性气体促进传递膜分离技术的理论研究和工程应用提供新的思路。
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