離子液體[emim]Ac密度和電導(dǎo)率的實驗與理論研究

何麗娟，陳帥帥，李松波，劉素霞，田寶云

(1.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；2.包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

離子液體是一種由陰陽離子組成、熔點在室溫或室溫以下、呈現(xiàn)出液體狀態(tài)的熔融鹽[1]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對離子液體的物性(例如密度、粘度和電導(dǎo)率等)進行深入研究[2-7]。段文斌等用Arrhenius方程和Vogel-Fulcher-Tamman(VTF)方程關(guān)聯(lián)了[C2mim]Gly等5種甘氨酸離子液體的電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律，得出模型關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)均可高達0.99[8]。林明穗等使用多項式方程關(guān)聯(lián)了離子液體[(CH3CH2)2NH2][HSO4]和[(CH3CH2)3NH][HSO4]的密度值，結(jié)果得出模型關(guān)聯(lián)的平均相對偏差分別為0.003%，0.001%[9]。

針對目前離子液體[emim]Ac密度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)缺乏的現(xiàn)狀，通過實驗測定離子液體[emim]Ac的密度和電導(dǎo)率，并在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上選擇合適的模型進行理論關(guān)聯(lián)，為離子液體[emim]Ac的進一步研究提供了基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

[emim]Ac(99%)；蒸餾水。

DZF-6020真空干燥箱；SPY-Ⅲ玻璃恒溫水??；FA1104電子分析天平；DDS-307A數(shù)顯電導(dǎo)率儀。

1.2 實驗可靠性檢測

為驗證實驗設(shè)備的可靠性，選用溫度298.15 K、壓力101.325 kPa下的蒸餾水對各實驗設(shè)備的可靠性進行了檢測，測定的實驗值與蒸餾水的相關(guān)查詢值進行對比，結(jié)果見表1。

表1 蒸餾水實驗值與查詢值對比Table 1 Comparison between experimental andreferrence values of distilled water

由表1可知，由實驗設(shè)備測定的蒸餾水密度和電導(dǎo)率值與查詢值具有高度吻合性，相對誤差在實驗允許范圍內(nèi)，故認為所選實驗設(shè)備具有較高的精度，可用作離子液體[emim]Ac密度和電導(dǎo)率實驗數(shù)據(jù)的測定。

1.3 離子液體[emim]Ac密度和電導(dǎo)率測定

1.3.1 密度測量 用電子分析天平稱量經(jīng)清洗干燥后的50 mL燒杯質(zhì)量m1。用離子液體[emim]Ac對10 mL移液管進行潤洗。量取50 mL離子液體[emim]Ac于100 mL燒杯中，水浴加熱。用移液管取10 mL離子液體[emim]Ac于50 mL燒杯中，測定298.15，308.15，318.15，328.15，338.15 K下燒杯與離子液體[emim]Ac的總質(zhì)量m2，則m2-m1為10 mL離子液體質(zhì)量，計算離子液體[emim]Ac的密度值。

1.3.2 電導(dǎo)率測量 量取50 mL離子液體[emim]Ac于100 mL燒杯中，水浴加熱，用數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定離子液體[emim]Ac在298.15，303.15，308.15，313.15，318.15 K下的電導(dǎo)率值。測量3次，取平均值。

1.4 離子液體[emim]Ac密度和電導(dǎo)率模型

1.4.1 密度數(shù)據(jù)模型關(guān)聯(lián) 離子液體密度隨溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸降低的線性變化趨勢，因此可用誤差相對較小的線性關(guān)系式進行離子液體密度數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)預(yù)測，其表達式為：

ρ=A-BT

(1)

式中，ρ為粘度；T為熱力學(xué)溫度，K；A、B均為線性方程的相關(guān)參數(shù)。

1.4.2 電導(dǎo)率數(shù)據(jù)模型關(guān)聯(lián) 溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系用Vogel-Tammann-Fulcher(VTF)方程進行關(guān)聯(lián)，其表達式為：

κ=κ0exp[-C/(T-T0)]

(2)

式中，κ為電導(dǎo)率；κ0、C和T0為VTF方程的經(jīng)驗常數(shù)；T0的值為273.15 K；T為熱力學(xué)溫度。

2 結(jié)果與討論

實驗測定的離子液體[emim]Ac的密度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)見表2。

表2 離子液體[emim]Ac的密度和電導(dǎo)率Table 2 Density and conductivity of ionic liquid [emim]Ac

由表2可知，在壓力101.325 kPa，溫度變化范圍為298.15～338.15 K時，離子液體[emim]Ac的密度隨溫度的升高出現(xiàn)逐漸降低的趨勢；電導(dǎo)率隨溫度的升高出現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

2.1 離子液體[emim]Ac密度

離子液體[emim]Ac的密度隨溫度的變化規(guī)律見圖1。在溫度范圍為298.15～338.15 K時，密度值為1 072～1 024 kg/m3。

圖1 [emim]Ac密度隨溫度變化實驗測定及模型預(yù)測結(jié)果Fig.1 [emim]Ac density values of experimental andmodel prediction with temperature

由圖1可知，離子液體[emim]Ac的密度隨溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢，且下降的趨勢基本呈現(xiàn)出線性變化的規(guī)律。

由圖1計算得出線性方程參數(shù)A、B分別為1 415.9，-1.16，相關(guān)系數(shù)R2為0.991 7，最大相對偏差和平均相對偏差分別為1.43%和0.82%?？芍x子液體[emim]Ac密度的模型預(yù)測值與實驗測定值吻合度良好，故認為線性方程對離子液體[emim]Ac的密度預(yù)測具有較高可信性。

2.2 離子液體[emim]Ac電導(dǎo)率

離子液體的電導(dǎo)率大小受離子液體的粘度影響，溫度是影響粘度的主要因素，故溫度值對電導(dǎo)率的影響也至關(guān)重要。實驗測定了標(biāo)準大氣壓下，溫度范圍298.15～338 K時離子液體[emim]Ac的電導(dǎo)率，以溫度T作為橫坐標(biāo)，電導(dǎo)率κ作為縱坐標(biāo)作圖，結(jié)果見圖2。電導(dǎo)率值的范圍為0.369～0.983 S/m。

因為離子液體的粘度值較大，所以隨溫度的升高離子液體粘度減小的趨勢較為明顯。同時在溫度升高時，離子遷移速度增大，因此隨溫度的升高，離子液體電導(dǎo)率的值逐漸增大。

圖2 [emim]Ac電導(dǎo)率隨溫度變化實驗測定及模型預(yù)測結(jié)果Fig.2 [emim]Ac conductivity values of experimental andmodel prediction with temperature

由圖2計算的參數(shù)κ0和C分別為1.766 9和40.34，相關(guān)系數(shù)R2高達0.982 6，最大相對偏差和平均相對偏差分別為2.91%和2.65%。因此，VTF方程可用于離子液體[emim]Ac電導(dǎo)率的預(yù)測。

3 結(jié)論

(1)實驗測定了溫度298.15～338.15 K的離子液體[emim]Ac的密度和電導(dǎo)率，分別為1 072～1 024 kg/m3、0.369～0.983 S/m；隨著溫度的升高，[emim]Ac的密度逐漸減小，電導(dǎo)率逐漸增大。

(2)由模型預(yù)測的[emim]Ac的密度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)與實驗測定數(shù)據(jù)相比，各平均相對偏差和最大相對偏差分別為0.82%，2.65%和1.43%，2.91%，可知所選模型具有較高的精度，可用于[emim]Ac密度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。