離子液體：為化工注入新鮮血液

文/李曉巖

離子液體：為化工注入新鮮血液

文/李曉巖

離子液體具有熱穩(wěn)定性好、蒸氣壓低等獨(dú)特的理化性質(zhì)，既可作為化學(xué)反應(yīng)的催化劑，也可作為反應(yīng)和分離過程的綠色溶劑，近年來更是成為綠色化學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，在化工領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。中國(guó)化工學(xué)會(huì)2013年會(huì)首次舉辦的離子液體分論壇，充分展示了離子液體捕集酸性氣體、離子液體新材料開發(fā)等方面的進(jìn)展。

離子液體捕集酸性氣體

開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的酸性氣體捕集技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。離子液體作為一種新型的綠色溶劑，具有低蒸氣壓、寬液程、高穩(wěn)定性、可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，為發(fā)展新型的酸性氣體捕集技術(shù)提供了機(jī)會(huì)。在離子液體分會(huì)場(chǎng)論壇上，眾多科研團(tuán)隊(duì)分別介紹了其在離子液體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分離催化二氧化碳、轉(zhuǎn)化吸收二氧化硫等方面的進(jìn)展。

浙江大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了幾類應(yīng)用于酸性氣體捕集的陰離子功能化離子液體。他們通過調(diào)節(jié)離子液體的堿性、取代基、電負(fù)性等，來實(shí)現(xiàn)酸性氣體低能耗、可逆、快速的捕集。但這些方法存在的一個(gè)主要問題是吸收焓下降常常會(huì)導(dǎo)致吸收容量下降。為此，他們又提出一種雙重調(diào)控離子液體酸性氣體捕集的新策略，其核心是通過在陰離子上引入鹵素等，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增加吸收容量、改善脫吸性能的效果。這些多樣性的離子液體酸性氣體調(diào)控策略為離子液體酸性氣體的工業(yè)捕集打下了良好基礎(chǔ)。

中科院過程工程所的科研人員針對(duì)離子液體分離二氧化碳過程進(jìn)行了探索。他們選用離子液體和醇胺溶液進(jìn)行復(fù)配，解決了離子液體在工業(yè)應(yīng)用中黏度較大的難題，并針對(duì)不同離子液體體系，提出了預(yù)測(cè)離子液體中氣泡大小、上升速率和氣含率的新模型，為關(guān)鍵反應(yīng)器設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。他們還對(duì)離子液體脫碳工藝的全流程進(jìn)行了模擬和優(yōu)化。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)醇胺法捕集二氧化碳相比，離子液體法能耗降低約27%，噸CO2的捕集成本降低約23%。

昂貴的成本嚴(yán)重阻礙了離子液體在工業(yè)化脫硫領(lǐng)域的應(yīng)用。離子液體可視為由酸和堿反應(yīng)制備，通常情況下，與陽(yáng)離子對(duì)應(yīng)的有機(jī)堿是造成離子液體成本過高的根本原因。北京化工大學(xué)課題組針對(duì)這一問題，提出選用低成本的無機(jī)堿代替有機(jī)堿來制備離子液體的解決方案。他們選用價(jià)廉的Ca(OH)2作為相應(yīng)陽(yáng)離子，乳酸作為相應(yīng)陰離子，通過反應(yīng)得到離子液體乳酸鈣。課題組將乳酸鈣配成水溶液用于吸收模擬煙氣中的SO2，他們認(rèn)為，乳酸鈣水溶液是比較有前景的可再生SO2吸收劑。

開發(fā)離子液體新材料

如果說此前對(duì)離子液體的研究主要集中在用離子液體作為傳統(tǒng)可揮發(fā)性有機(jī)溶劑的替代品用于催化相關(guān)化學(xué)反應(yīng)、吸附分離、電化學(xué)等領(lǐng)域上，那么基于離子液體的新材料則正逐漸成為近期離子液體研究領(lǐng)域的新亮點(diǎn)。

碳材料用作催化劑或催化劑載體材料時(shí)，顆粒越小，越有利于加快反應(yīng)過程。但傳統(tǒng)以生物質(zhì)為原料、基于水熱法制備的炭小球直徑一般在200納米～10微米，不能滿足催化要求。浙江大學(xué)新和成研發(fā)中心以離子液體為碳源或作為結(jié)構(gòu)調(diào)控劑成功制備出一類基于離子液體的含氮多孔炭小球，其直徑在60納米左右，解決了水熱法難以制備形貌可調(diào)炭小球納米材料的難題。這些含氮炭小球納米材料可作為有效的載體材料，負(fù)載納米金屬形成多功能的催化劑，高效催化相關(guān)的氧化、還原反應(yīng)。

清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)利用離子液體作為平臺(tái)化合物，與分離膜材料制備相結(jié)合，利用離子液體黏度高、難揮發(fā)的理化性質(zhì)，解決了支撐液膜工業(yè)化應(yīng)用的膜材料穩(wěn)定性問題，構(gòu)成了新型離子液體“充填型”支撐液膜。與此同時(shí)，他們還將離子液體聚合物作為前驅(qū)體的質(zhì)子傳導(dǎo)膜，成功用于全釩液流電池。該膜用于全釩液流電池時(shí)，能量效率達(dá)到75%。

分子篩膜具有與分子大小相當(dāng)且均勻一致的孔徑，是理想的膜分離和膜催化材料?，F(xiàn)今分子篩膜的合成方法主要由分子篩的水熱合成技術(shù)發(fā)展而來，所合成的分子篩膜大多是硅酸鋁結(jié)構(gòu)。離子熱合成是一種新的分子篩合成方法，在磷酸鋁分子篩的合成方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在論壇上，中科院大連化物所介紹了他們開發(fā)的一種離子熱載體自轉(zhuǎn)晶合成磷酸鋁分子篩膜的新方法。該法以離子液體為溶劑，使用8-氧化鋁載體作為支撐體和唯一的鋁原料，晶化合成出CHA、LTA、AEL 和AFI等磷酸鋁分子篩膜。

離子液體催化合成三聚甲醛

三聚甲醛是生產(chǎn)聚甲醛樹脂的最主要單體，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)因缺乏相關(guān)技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)長(zhǎng)期受制于國(guó)外。三聚甲醛合成的核心問題是催化劑的選擇，基于硫酸或固體酸催化劑的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝存在腐蝕性強(qiáng)、設(shè)備投資高、副產(chǎn)物多等缺點(diǎn)。離子液體的出現(xiàn)為研發(fā)新型催化技術(shù)提供了契機(jī)，但已開發(fā)的合成三聚甲醛催化劑成本很高(80萬(wàn)元／噸)。

來自中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院的課題組在論壇上宣布，他們突破已有專利的保護(hù)，篩選出利于三聚甲醛合成的離子液體結(jié)構(gòu)，并成功開發(fā)出成本較低的4種離子液體，確定了新型離子液體催化合成三聚甲醛的合成工藝流程及最優(yōu)反應(yīng)條件?？蒲腥藛T還通過間歇實(shí)驗(yàn)考察了4種離子液體的催化效果，結(jié)果表明：在4種離子液體催化條件下，90分鐘時(shí)三聚甲醛的平衡濃度均大于2%，且體系總體酸度得到了很好控制。該離子液體的原料成本約為3.3萬(wàn)元／噸，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有專利技術(shù)的離子液體成本。這項(xiàng)研究對(duì)于三聚甲醛合成領(lǐng)域是一次全新的嘗試和探索。