CO2-[emim][Tf2N]的汽液相平衡實(shí)驗(yàn)研究

何麗娟，王荻，吳心偉，馬文清

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

近年來，隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，在吸收式制冷系統(tǒng)中利用低品位的熱源作為動(dòng)力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。研究表明[1]，傳統(tǒng)型吸收式制冷工質(zhì)對(duì)在使用過程中存在著如氨汽化潛熱小、可燃有毒；H2O-LiBr不能制取0 ℃以下的冷量；氟利昂具有較高的GWP和ODP[2]。必須要尋找一種新型的吸收式制冷工質(zhì)對(duì)。

CO2被稱為R744制冷劑，具有無毒無害、良好的熱力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。離子液體是一種新型的綠色溶劑，在室溫或者室溫相近溫度下為液態(tài)的熔鹽體系，其蒸汽壓低，化學(xué)穩(wěn)定性良好，且通過改變其陰陽離子可以調(diào)節(jié)化學(xué)或者物理性質(zhì)[5]。

本文選用離子液體[emim][Tf2N]和CO2作為汽液相平衡實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，并得出數(shù)據(jù)，為關(guān)聯(lián)計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)奠定良好的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟磺酰亞胺鹽(純度99%)，分析純；CO2(純度99.99%)。

平衡釜(由PSG-100 mL型不銹鋼加工而成，有效容積100 mL，設(shè)計(jì)承壓20 MPa，設(shè)計(jì)工作溫度為-20～100 ℃)；緩沖罐(同反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)一致)；79-1型磁力攪拌器；SY-PG3300型壓力變送器；ZMD-Z型精密電子天平；K型熱電偶。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

自行設(shè)計(jì)并搭建相平衡測(cè)定試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)裝置流程圖見圖1。主要由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)組成。其中測(cè)量系統(tǒng)包括平衡釜、熱電偶；控制系統(tǒng)包括壓力變送器、安捷倫采集器、計(jì)算機(jī)、溫度控制器、磁力攪拌器、溫度探測(cè)器、攪拌器；恒溫系統(tǒng)包括恒溫水浴、加熱器。

圖1 相平衡實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.1 Phase balance experimental device flowchart1.離子液體[emim][Tf2N]；2.平衡釜；3.恒溫水??；4.壓力傳感器；5.熱電偶；6.安捷倫采集器；7.電腦；8.溫度控制；9.磁力攪拌器；10.加熱器；11.溫度探測(cè)器；12.攪拌器

(1)氣密性實(shí)驗(yàn)將氮?dú)夥?0次充入平衡釜中，每次充入0.2 MPa，直至平衡釜內(nèi)壓力為2 MPa，保持此狀態(tài)2 d后，觀察平衡釜內(nèi)的壓力值為2 MPa。認(rèn)為系統(tǒng)氣密性良好，可用于相平衡實(shí)驗(yàn)。

(2)測(cè)量[emim][Tf2N]的質(zhì)量，并倒入平衡釜中，進(jìn)行抽真空處理后，將緩沖罐中的CO2充入到平衡釜中，進(jìn)行兩相混合。

(3)將平衡釜放入到調(diào)整為實(shí)驗(yàn)溫度要求值的恒溫水浴箱中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的溫度及壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

(4)當(dāng)CO2-[emim][Tf2N]體系達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，記錄實(shí)驗(yàn)溫度和壓力值。

通過公式x=ng/(ng+nl)計(jì)算得到相平衡時(shí)CO2-[emim][Tf2N]的溶解度(其中ng為CO2的摩爾質(zhì)量，nl為離子液體的摩爾質(zhì)量)。

2 結(jié)果與討論

2.1 [emim][Tf2N]對(duì)CO2的吸收

在溫度263.15～358.15 K、壓力0.17～2.45 MPa條件下，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的相平衡數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫度在268.15～358.15 K下，CO2-[emim][Tf2N]系統(tǒng)汽液相平衡數(shù)據(jù)Table 1 Vapor-liquid equilibrium data for CO2-[emim][Tf2N] system at temperatures of 268.15～358.15 K

注：①此行數(shù)據(jù)為溶解度。

由表1可知，當(dāng)溫度為263.15 K，壓力為1.01 MPa時(shí)，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度可達(dá)到0.535。

2.2 溫度對(duì)[emim][Tf2N]吸收CO2的影響

由表1和圖2可知，系統(tǒng)壓力為定值時(shí)，當(dāng)溫度為278.15 K時(shí)，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度為0.483，當(dāng)溫度升高為288.15 K時(shí)，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度為0.444。由此可知，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度隨著溫度的升高而逐漸減小。這是由于溫度升高導(dǎo)致離子液體[emim][Tf2N]的粘度、密度及表面張力等性質(zhì)減弱，使得其自身的活化能變強(qiáng)，分子間相互作用力減弱，從而對(duì)CO2的吸收量減弱。

圖2 在溶解度0.011～0.241下溫度、壓力對(duì)離子液體[emim][Tf2N]吸收CO2的影響Fig.2 Effect of temperature and pressure on CO2 absorption of ionic liquid [emim][Tf2N] under solubility of 0.011～0.241

2.3 壓力對(duì)[emim][Tf2N]吸收CO2的影響

由圖2和圖3可知，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度為0.011～0.162時(shí)，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢(shì)不明顯；CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度為0.241～0.535時(shí)，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢(shì)比較明顯。

圖3 在溶解度0.366～0.535下溫度、壓力對(duì)離子液體[emim][Tf2N]吸收CO2的影響Fig.3 Effect of temperature and pressure on CO2 absorption of ionic liquid [emim][Tf2N]under solubility of 0.366～0.535

3 結(jié)論

選用新型吸收式制冷工質(zhì)對(duì)CO2-[emim][Tf2N]進(jìn)行汽液相平衡實(shí)驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：

(1)溫度和壓力均是影響[emim][Tf2N]吸收CO2的重要因素。當(dāng)系統(tǒng)壓力不變時(shí)，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度隨著溫度的升高而逐漸減小；當(dāng)系統(tǒng)溫度不變時(shí)，CO2在離子液體中的溶解度隨壓力升高而升高。

(2)CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度在0.011～0.162的范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢(shì)不明顯；CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度為0.241～0.535的范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，壓力變化的趨勢(shì)比較明顯。

(3)當(dāng)溫度為263.15 K，壓力為1.01 MPa時(shí)，CO2在離子液體[emim][Tf2N]中的溶解度最大值可達(dá)到0.535。