離子液體的合成及其對CO2氣體吸收的比較研究

萬方，陳敏東

（1.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402;2.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210044）

引言

一般來說，離子液體是一類在室溫呈液態(tài)的鹽。主要由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子組成，在室溫下呈透明、油狀、液態(tài)物質(zhì)[1]。由于其零件揮發(fā)性、低熔點(diǎn)、寬液程、可設(shè)計(jì)性、強(qiáng)溶解性等優(yōu)點(diǎn)，引起國內(nèi)外人士的廣泛關(guān)注。

作為高分子的聚合離子液體來說，由于其聚合起來?xiàng)l件苛刻而導(dǎo)致難度較大，因此目前這一領(lǐng)域的研究學(xué)者較少。但是，相對于離子液單體來說，具有不可比擬的優(yōu)勢。

本文以甲基咪唑、溴丙烯、丙烯酰胺為主要原料，首先采用兩步法合成離子液單體，之后，與丙烯酰胺進(jìn)行共聚反應(yīng)，使其固化。再對所合成產(chǎn)物進(jìn)行CO2氣體的吸收研究。合成路線見圖1。

圖1 合成路線圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

1HNMR由Bruker DRX 500型核磁共振儀測定；IR使用尼高力AVARAT 360紅外光譜儀。

高純氮（南京紅健氣體）、1-甲基咪唑、1-溴丙烯、丙烯酰胺、N、N-二甲基甲酰胺、偶氮二異丁腈、四氟硼酸鈉、丙酮、二氯甲烷、乙醚、甲醇。所用試劑均在試劑公司購買，干燥后使用。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 溴代1-烯丙基-3-甲基咪唑的合成

分別稱取物質(zhì)的量比為1∶1.5的1-甲基咪唑和溴丙烯，在三口燒瓶中進(jìn)行反應(yīng)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)隔絕空氣條件下，加熱至70℃，磁力攪拌8h以上。減壓蒸餾除去未反應(yīng)的烯丙基溴。冷卻后，分液漏斗去除多余的N-甲基咪唑。并于真空烘箱中恒溫干燥48h以上。

1.2.2 1-烯丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽的合成

以丙酮為溶劑，將制備好的溴代1-烯丙基-3-甲基咪唑加入單口燒瓶中，不斷攪拌，用分液漏斗過濾后，減壓蒸餾除去溶劑，加入二氯甲烷，除雜質(zhì)后，再次減壓蒸餾除二氯甲烷，于40℃下進(jìn)行真空干燥。

1.2.3 聚烯丙基甲基咪唑丙烯酰胺

稱取10mL的烯丙基甲基咪唑離子液和15g丙烯酰胺置于反應(yīng)裝置中反應(yīng)，再稱取適量的交聯(lián)劑和反應(yīng)溶劑，隔絕空氣進(jìn)行反應(yīng)。于60℃下反應(yīng)超過一天。反應(yīng)后，加入一定量的甲醇對產(chǎn)物進(jìn)行沉淀后，再用乙醚抽濾提取。最后烘干。

2 吸收CO2氣體的比較研究

本文以CO2氣體為例，比較了相同溫度下三種不同結(jié)構(gòu)的離子液體的吸收效果。

2.1 主要儀器與試劑

溴代1-烯丙基-3-甲基咪唑、1-烯丙基-3-甲基咪唑氟硼酸鹽、聚烯丙基甲基咪唑丙烯酰胺，三種溶液加水，配制成為0.5mol/L水溶液，待測。硫酸按照1∶5的比例加水配制。

整個裝置由三部分組成，吸收裝置、解吸裝置和吸收劑CO2負(fù)荷分析裝置[3]。吸收裝置采用特制的玻璃管進(jìn)行鼓泡，并控制氣體流量及氣流中CO2含量。本實(shí)驗(yàn)直接采用純CO2氣體。氣流量保持在2L/min。每間隔5min取樣，進(jìn)行CO2負(fù)荷分析。

2.2 解吸裝置采用電熱套進(jìn)行加熱解吸

溫度控制在100℃左右。每隔5min取樣分析，取樣后，盡量避免由于熱量過高而引起的誤差。

2.3 吸收劑CO2負(fù)荷分析裝置利用強(qiáng)酸換弱酸的原理，用硫酸將CO2從吸收液中置換出來

吸收后測定的數(shù)據(jù)按照下式進(jìn)行計(jì)算[4]：

式中：X-CO2在液相中的體積濃度，L/L；

V-CO2發(fā)生后量氣管的讀數(shù)，mL；

VO-試液的取樣量，mL；

P-測定時的大氣壓，kPa；

T-測定時的溫度，℃；

P0-測定時T℃下的飽和NACL溶液蒸汽壓，kPa；

273-理想氣體絕對溫度，K；

101.325-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kPa。

計(jì)算X后的三種物質(zhì)CO2吸收圖（見圖2～5）。橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為X值。

從圖2～5可知：溴代1-烯丙基-3-甲基咪唑、1-烯丙基-3-甲基咪唑氟硼酸鹽、聚烯丙基甲基咪唑丙烯酰胺對CO2吸收效果依次增大，同時，測定的pH顯示其酸堿度也是依次增加的。另外，聚合物的解析能力較強(qiáng)，可以反復(fù)使用。

圖2 溴代甲基烯丙基咪唑CO2吸收圖

圖3 四氟硼酸甲基烯丙基咪唑CO2吸收圖

圖4 共聚物CO2吸收圖

圖5 共聚物CO2解析圖

3 結(jié)論

離子液由于其本身的優(yōu)勢，越來越多受到學(xué)者的追捧。離子液單體的研究已經(jīng)趨近成熟，而對離子液聚合物的研究是一個難點(diǎn)，因其受到各種條件限制。當(dāng)前，國外學(xué)者越來越多的關(guān)注離子液體聚合物，而國內(nèi)尚未見過報(bào)道。如何將環(huán)保型材料離子液體、離子液體聚合物應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，造福百姓，將會成為未來的發(fā)展方向。