表面活性離子液體的合成及其在促進(jìn)CO2水合物生成中的應(yīng)用

徐小軍，李 工，王樹(shù)立，張 琳

（1.常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué) 石油工程學(xué)院 江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213016）

CO2水合物是CO2氣體在低溫高壓下與水形成的一種類(lèi)似于冰的非化學(xué)計(jì)量的籠形晶體化合物，屬于Ⅰ型水合物［1］。目前，CO2大量排放導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，控制CO2的排放，并尋求新的技術(shù)分離、提純、回收CO2氣體是目前研究的熱點(diǎn)［2-5］，其中水合物法捕集分離CO2被認(rèn)為是一種有效的方法［6-7］。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，每m3的CO2水合物可以?xún)?chǔ)存160～180 m3的氣體［8］。但由于CO2水合物的生成過(guò)程類(lèi)似于一種緩慢的結(jié)晶過(guò)程，伴隨著氣-液-固三相傳質(zhì)、傳熱等復(fù)雜過(guò)程，在不添加促進(jìn)劑的條件下，CO2水合物的誘導(dǎo)時(shí)間長(zhǎng)，生成速率非常緩慢，相平衡點(diǎn)較高［9］；并且存在于氣液界面處的水合物膜阻礙了氣體進(jìn)入液相，使得反應(yīng)無(wú)法連續(xù)進(jìn)行。因此，為實(shí)現(xiàn)CO2水合物的快速連續(xù)生成，加入的促進(jìn)劑是研究的重點(diǎn)［10-11］。離子液體是指在室溫或鄰近室溫下完全由陰陽(yáng)離子構(gòu)成的呈液態(tài)的離子化合物［12］。離子液體的特點(diǎn)是：極低的蒸汽壓［13］、較好的化學(xué)穩(wěn)定性及較寬的電化學(xué)穩(wěn)定電位窗口［14］，通過(guò)調(diào)節(jié)陰陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)來(lái)改變離子液體的理化性質(zhì)，從而將功能性基團(tuán)引入到離子液體中，可以滿(mǎn)足某些特定的反應(yīng)要求［15］。由于具備這些特性，近年來(lái)功能化離子液體受到越來(lái)越多的關(guān)注［16］。

本工作利用離子液體的特點(diǎn)，把表面活性基團(tuán)引入離子液體中，合成出一類(lèi)新型表面活性離子液體，使其具有離子液體和表面活性劑的雙功能特性，并作為促進(jìn)劑將其應(yīng)用于CO2水合物生成過(guò)程中，考察其促進(jìn)CO2水合物生成的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

1-甲基咪唑：AR，鹽城市百益化工有限公司；六亞甲基亞胺：CP，江蘇射陽(yáng)化工廠；1，3-丙烷磺酸內(nèi)酯：AR，蘇州新區(qū)貝克精細(xì)化學(xué)品有限公司；十二烷基苯磺酸：CP，石家莊海森化工有限公司；哌啶、甲苯、乙酸乙酯、乙醚、甲醇：AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；CO2：純度99.8%，常州京華工業(yè)氣體有限公司。

Bruker公司Avance Ⅲ型500 MHz核磁共振波譜儀；島津公司FTIR-8400S型傅里葉變換紅外光譜儀；EAI公司CE-440型有機(jī)元素分析儀；TA公司SDT-Q600型熱重示差掃描量熱儀；上海方瑞儀器有限公司QBZY-1型全自動(dòng)表面張力儀。

1.2 表面活性離子液體的合成及其水溶液表面張力的測(cè)定

將1，3-丙烷磺酸內(nèi)酯溶于甲苯，攪拌下滴加等物質(zhì)的量的六亞甲基亞胺，滴畢于70 ℃下反應(yīng)2 h，過(guò)濾，濾餅用乙酸乙酯洗滌3次，100 ℃下干燥8 h，得白色固體內(nèi)鎓鹽；將內(nèi)鎓鹽溶于水中，室溫下滴加等物質(zhì)的量的十二烷基苯磺酸，80 ℃下反應(yīng)8 h，產(chǎn)物在75 ℃下減壓蒸餾除水，所得黏稠液體用乙醚和甲醇洗滌3次，再次減壓蒸餾后，50 ℃下真空干燥至恒重，得表面活性離子液體1-（3-磺酸基）丙基六亞甲基亞胺十二烷基苯磺酸（［HMIPS］DBSA）。用哌啶或1-甲基咪唑代替六亞甲基亞胺，采用上述方法分別合成出1-（3-磺酸基）丙基哌啶十二烷基苯磺酸（［PPS］DBSA）和1-（3-磺酸基）丙基-3-甲基咪唑十二烷基苯磺酸（［MIMPS］DBSA），其反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)式（1）～（2）。

將制備的表面活性離子液體分別配成質(zhì)量濃度為100，300，500，700，900 mg/L的溶液，用表面張力儀測(cè)量不同溫度下的表面張力。

1.3 CO2水合物生成實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)步驟

CO2水合物生成實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。該裝置由可視化反應(yīng)釜、磁力攪拌系統(tǒng)、恒溫水浴制冷系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、高壓配氣系統(tǒng)、水下光纖攝像系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。反應(yīng)釜設(shè)計(jì)壓力30 MPa，容積0.5 L；內(nèi)置溫度壓力傳感器，溫度測(cè)量范圍-50～100 ℃（精度±0.1 ℃），壓力測(cè)量范圍0～32 MPa（精度±0.01 MP）；釜內(nèi)裝有磁力攪拌子，轉(zhuǎn)速0～1 200 r/min；反應(yīng)釜溫度由低溫恒溫水槽控制，高壓配氣系統(tǒng)為CO2水合物生成提供高壓環(huán)境；水下光纖攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水合物生成現(xiàn)象；溫度、壓力數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。

圖1 CO2水合物生成實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental installation for the formation of CO2 hydrate.

考察表面活性離子液體對(duì)CO2水合物相平衡壓力的影響時(shí)，用待測(cè)液潤(rùn)洗反應(yīng)釜3次后注入200 mL預(yù)先配制的不同質(zhì)量濃度的表面活性離子液體溶液，然后抽真空10 min，打開(kāi)低溫恒溫水槽，降至設(shè)定溫度。打開(kāi)進(jìn)氣閥，向釜內(nèi)充入CO2氣體，水合物完全生成后，穩(wěn)定15 min，再打開(kāi)泄壓閥，控制泄壓速率（5～10 s下降0.01 MPa），當(dāng)水合物分解時(shí)，顯示器中會(huì)出現(xiàn)氣泡和亮斑，此時(shí)壓力即為該溫度下CO2水合物的相平衡壓力。在4 ℃、未攪拌條件下向釜內(nèi)充入4.0 MPa的CO2，以此作為起始?jí)毫Γ瑢?shí)時(shí)記錄反應(yīng)釜內(nèi)的壓力變化，直至壓力趨于穩(wěn)定，考察3種表面活性離子液體對(duì)CO2水合物生成過(guò)程中壓力的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性離子液體的結(jié)構(gòu)表征結(jié)果

［HMIPS］DBSA的1H NMR（500 MHz， D2O）數(shù)據(jù)（化學(xué)位移δ）：7.56（s，2H），7.00（d，J=5.0 Hz，2H），3.38～3.36（m，2H），3.33～3.30（m，2H），3.29～3.28（m，2H），3.17～3.14（m，2H），2.07～2.01（m，2H），1.71（d，J=3.9 Hz，2H），1.67～1.59（m，2H），1.47～0.47（m，29H）。［HMIPS］DBSA的FTIR（KBr）譜圖見(jiàn)圖2（a），其中3 041 cm-1處為苯環(huán)上C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；2 952，2 854 cm-1處為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；2 798 cm-1處為N—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 600，1 465，1 460 cm-1處為苯環(huán)骨架的振動(dòng)峰；833 cm-1處為苯環(huán)對(duì)位取代的特征峰；1 157，1 033 cm-1處為磺酸基的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰。元素分析實(shí)測(cè)值（w，%）為：C 59.041，H 8.989，O 17.633，N 2.694，S 11.643，與［HMIPS］·DBSA分子式的理論值相符。表明合成出的試樣為［HMIPS］DBSA，分子式為C27H49S2O6N。

［PPS］DBSA的1H NMR（500 MHz，D2O）數(shù)據(jù)（δ）：7.56（s，2H），7.02（s，2H），3.39（t，J=13.4 Hz，2H），3.14～3.06（m，2H），2.90～2.74（m，4H），2.04（dt，J=15.4，7.6 Hz，2H），1.91～1.70（m，2H），1.47～0.56（m，29H）。［PPS］DBSA的FTIR（KBr）譜圖見(jiàn)圖2（b），其中3 037 cm-1處為苯環(huán)上C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；2 954，2 854 cm-1處為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；2 786 cm-1處為N—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 600，1 454 cm-1處為苯環(huán)骨架的振動(dòng)峰；833 cm-1處為苯環(huán)對(duì)位取代的特征峰；1 161，1 033 cm-1處為磺酸基的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰。元素分析實(shí)測(cè)值（w，%）為：C 58.490，H 8.992，O 17.920，N 2.618，S 11.980。表明合成出的試樣為［PPS］DBSA，分子式為C26H47S2O6N。

圖2 表面活性離子液體的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of ionic liquids with surface activity.

［MIMPS］DBSA的1H NMR（500 MHz，D2O）數(shù)據(jù)（δ）：8.57（s，1H），7.51（d，J=10.9 Hz，2H），7.33（s，1H），7.23（s，1H），6.93（d，J=8.9 Hz，2H），4.24～4.09（m，2H），3.67（s，3H），2.76～2.71（m，2H），2.16～2.10（m，2H），1.42～0.29（m，25H）。［MIMPS］DBSA 的FTIR（KBr）譜圖見(jiàn)圖2（c），其中3 151 cm-1處為咪唑環(huán)上N—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；3 110 cm-1處為咪唑環(huán)上C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；2 923，2 854 cm-1處為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 573 cm-1處為咪唑環(huán)上H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 598，1 456 cm-1處為苯環(huán)的振動(dòng)峰；833 cm-1處為苯環(huán)對(duì)位取代的特征峰；1 172，1 033 cm-1處為磺酸基的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰。元素分析實(shí)測(cè)值（w，%）為：C 56.450，H 8.120，O 17.900，N 5.440，S 12.090。表明合成出的試樣為［MIMPS］DBSA，分子式為C25H42S2O6N2。

2.2 表面活性離子液體的熱穩(wěn)定性

3種表面活性離子液體的TG曲線見(jiàn)圖3。由圖3可看出，［HMIPS］DBSA，［PPS］DBSA，［MIMPS］DBSA的起始分解溫度分別為286.7，304.8，307.6 ℃，表明［MIMPS］DBSA的熱穩(wěn)定性最高，這是由于［MIMPS］DBSA分子中的咪唑環(huán)含有共軛的大π鍵。另外，［PPS］DBSA比［HMIPS］·DBSA的熱穩(wěn)定性高，這是由于哌啶的六元環(huán)結(jié)構(gòu)比六亞甲基亞胺的七元環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所致。

2.3 表面活性離子液體的表面活性

不同質(zhì)量濃度的表面活性離子液體溶液的表面張力見(jiàn)圖4。由圖4可知，表面活性離子液體的加入有效降低了液體的表面張力，當(dāng)表面活性離子液體的質(zhì)量濃度低于100 mg/L時(shí)，在2～10 ℃內(nèi)，溫度對(duì)表面張力的影響不大，質(zhì)量濃度在100～700 mg/L時(shí)，隨溫度的升高表面張力明顯下降。質(zhì)量濃度大于700 mg/L時(shí)，表面張力隨質(zhì)量濃度的增加變化不大。在10 ℃和700 mg/L時(shí)，［HMIPS］·DBSA，［PPS］DBSA，［MIMPS］DBSA溶液的表面張力分別為33.6，32.8，36.1 mN/m，與純水的表面張力（73.2 mN/m）相比，降幅超過(guò)50%，與同條件下的十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）溶液的表面張力（34.4 mN/m）相差不大，表明合成的離子液體具有表面活性，是一種表面活性離子液體。

圖3 表面活性離子液體的TG曲線Fig.3 TG curves of the ionic liquids.

2.4 離子液體對(duì)CO2水合物相平衡壓力的影響

表面活性離子液體對(duì)CO2水合物相平衡壓力的影響見(jiàn)圖5。由圖5可看出，CO2水合物相平衡曲線的共同特點(diǎn)是隨溫度的升高而上升。相同溫度下，加入表面活性離子液體后，CO2水合物相平衡壓力與純水體系相比均有一定程度的下降，下降幅度與表面活性離子液體的質(zhì)量濃度有關(guān)，每種表面活性離子液體在CO2水合物生成過(guò)程中均存在一個(gè)最佳質(zhì)量濃度，［HMIPS］DBSA，［PPS］DBSA，［MIMPS］DBSA的最佳質(zhì)量濃度分別為700，300，100 mg/L；但最佳質(zhì)量濃度并不與其水溶液表面張力最低時(shí)的質(zhì)量濃度一致。在同一溫度下，最佳質(zhì)量濃度的表面活性離子液體體系中的CO2水合物相平衡壓力最低，較純水體系的降幅最大。當(dāng)?shù)陀谧罴奄|(zhì)量濃度時(shí)，隨質(zhì)量濃度的增加，溶液的表面張力逐漸降低，能有效降低CO2水合物的相平衡壓力；而高于最佳質(zhì)量濃度時(shí)，對(duì)表面張力的影響減弱，隨質(zhì)量濃度的增大，溶液中產(chǎn)生包含CO2氣體的膠束，導(dǎo)致CO2水合物的相平衡壓力增大，相平衡壓力降幅相對(duì)減小。與700 mg/L的SDBS溶液［17］比較可知，在2～10 ℃內(nèi)，［HMIPS］DBSA，［PPS］DBSA，［MIMPS］DBSA溶液的CO2水合物相平衡壓力明顯低于SDBS溶液（見(jiàn)圖6）。其中，［PPS］DBSA促進(jìn)CO2水合物生成的效果最佳，4 ℃時(shí)其300 mg/L的水溶液與純水相比，CO2水合物相平衡壓力下降20.1%；與700 mg/L的SDBS溶液相比，CO2水合物相平衡壓力下降13.6%。在此溫度下表面活性離子液體溶液中CO2水合物相平衡壓力為1.5～2.0 MPa，壓力不高，因此選取4 ℃為CO2水合物生成的最佳溫度。

圖5 表面活性離子液體溶液中CO2水合物的相平衡壓力Fig.5 Phase equilibrium pressure of the CO2 hydrate in the ionic liquid solutions with surface activity.

圖6 表面活性離子液體與SDBS溶液中CO2相平衡壓力的比較Fig.6 Contrast of phase equilibrium pressures of the CO2 hydrate in the ionic liquids and in sodium dodecylbenzenesulfonate(SDBS)solution.

2.5 離子液體對(duì)CO2水合物生成過(guò)程中壓力的影響

在4 ℃下考察了［HMIPS］DBSA，［PPS］·DBSA，［MIMPS］DBSA在最佳質(zhì)量濃度下對(duì)CO2水合物生成過(guò)程中壓力的影響，并與700 mg/L的SDBS溶液進(jìn)行比較［16］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可看出，表面活性離子液體溶液及SDBS由于具有表面活性，降低了溶液的表面張力，加速了氣液間的傳質(zhì)速率，特別是在水合物生成初期階段，促進(jìn)了CO2水合物的生成。在4 ℃、起始?jí)毫?.0 MPa的條件下，700 mg/L的［HMIPS］DBSA在160 min時(shí)釜內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定值，壓力下降1.78 MPa；300 mg/L的［PPS］DBSA在110 min時(shí)釜內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定值，壓力下降1.91 MPa；100 mg/L的［MIMPS］DBSA在120 min時(shí)釜內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定值，壓力下降1.74 MPa；而純水在175 min時(shí)釜內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定值，壓力下降1.41 MPa；700 mg/L的SDBS在123 min時(shí)釜內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定值，壓力下降1.58 MPa。對(duì)比可知，［PPS］DBSA溶液可使釜內(nèi)壓力下降最大，壓力趨于穩(wěn)定耗時(shí)最短。這可能是由于［PPS］DBSA中的哌啶六元環(huán)空間結(jié)構(gòu)在CO2水合物生成過(guò)程中起到架構(gòu)水合物籠的模板作用，促進(jìn)氣體分子被包裹進(jìn)籠型空穴中；而六亞甲基亞胺與1-甲基咪唑的環(huán)狀結(jié)構(gòu)雖然也有促進(jìn)作用，但沒(méi)有哌啶六元環(huán)的作用好，表明表面活性離子液體對(duì)CO2水合物生成的促進(jìn)作用與其所含基團(tuán)的環(huán)的大小有關(guān)。綜合CO2水合物相平衡條件，在合成的3種表面活性離子液體中，促進(jìn)CO2水合物生成的最佳表面活性離子液體為［PPS］DBSA，最佳生成溫度和質(zhì)量濃度分別為4 ℃和300 mg/L。

2.6 表面活性離子液體促進(jìn)CO2水合物生成的機(jī)理

對(duì)于［HMIPS］DBSA，［PPS］DBSA，［MIMPS］DBSA，因?yàn)橐刖哂斜砻婊钚缘氖榛交撬岣庪x子，使它們具有表面活性劑的功能，降低了溶液的表面張力，有利于CO2氣體進(jìn)入液相，加快了氣液傳質(zhì)速率，CO2水合物可快速生成。另外，［HMIPS］DBSA，［PPS］DBSA，［MIMPS］DBSA中的陽(yáng)離子分別含有七元環(huán)、六元環(huán)和五元環(huán)，在水合物生成過(guò)程中，多元環(huán)狀陽(yáng)離子能起到架構(gòu)水合物籠的模板作用，其中含六元環(huán)的［PPS］DBSA的效果最佳，當(dāng)CO2氣體進(jìn)入到液相中時(shí)，部分CO2分子與環(huán)狀結(jié)構(gòu)在水分子的圍繞下容易構(gòu)建CO2水合物，并使氣體分子更加牢固地束縛在籠內(nèi)，同時(shí)也降低了CO2水合物的相平衡壓力［18］。因此，在表面活性離子液體的陰陽(yáng)離子共同作用下，促進(jìn)了CO2水合物的快速生成。

圖7 表面活性離子液體對(duì)CO2水合物生成過(guò)程中壓力的影響Fig.7 Effects of the ionic liquids on the pressure in the formation of the CO2 hydrate.

3 結(jié)論

1）合成出3種表面活性離子液體［HMIPS］·DBSA，［PPS］DBSA，［MIMPS］DBSA，它們具有離子液體和表面活性劑的雙功能特性，其水溶液的表面張力與SDBS溶液的表面張力相近。

2）3種表面活性離子液體均能降低CO2水合物的相平衡壓力，促進(jìn)CO2水合物的生成。其中，［PPS］DBSA的效果最好，生成CO2水合物的最佳條件為：質(zhì)量濃度300 mg/L、溫度4 ℃、起始?jí)毫?.0 MPa、反應(yīng)時(shí)間110 min。

3）表面活性離子液體對(duì)CO2水合物生成的促進(jìn)作用是由于其表面活性基團(tuán)降低了溶液的表面張力、環(huán)狀陽(yáng)離子可以起到架構(gòu)水合物籠的模板作用，二者共同作用促進(jìn)了CO2水合物的快速生成。

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