離子液體-水復(fù)配吸收劑對(duì)VOCs的吸收性能

張文林， 孫騰飛， 閆佳偉， 霍 宇， 李功偉， 李春利

(河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院 化工節(jié)能過程集成與資源利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile organic compounds，VOCs)作為環(huán)境污染的重要成因，已經(jīng)成為大氣污染防治的重點(diǎn)[1-3]。通過對(duì)多個(gè)城市VOCs排放源的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，汽油燃燒產(chǎn)生的廢氣已經(jīng)是各大城市中VOCs最主要的來源[4]?？梢灶A(yù)見，隨著私家車的增多，汽油燃燒廢氣對(duì)大氣污染的影響程度將日益加深[5]，處理汽油燃燒廢氣中VOCs已迫在眉睫。研究表明，VOCs中包含著許多高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)[6]，直接排放將浪費(fèi)大量資源，提出一種將尾氣凈化、易于回收其中VOCs的處理方法顯得尤為重要。常用于處理VOCs廢氣的方法是吸收法[7-8]。Ozturk等[9]采用植物油和潤(rùn)滑油作為吸收劑吸收苯、甲苯氣體，兩種吸收劑對(duì)苯和甲苯的吸收率均可達(dá)90%，但吸收殘液會(huì)造成二次污染。姚恕等[10]采用柴油吸收苯類廢氣，其吸收率可以達(dá)到90%左右，但吸收劑本身會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。根據(jù)相似相溶的原理，有機(jī)溶劑可以更容易地吸收廢氣中的溶質(zhì)，但有機(jī)溶液一般易燃易爆且難回收或回收效率低，使其在工業(yè)中的應(yīng)用受到限制[11]。

離子液體作為一種綠色溶劑有著許多優(yōu)于常規(guī)有機(jī)溶劑的性質(zhì)[12]，如熱穩(wěn)定性好、毒性低、溶解性強(qiáng)、揮發(fā)性小、易回收以及可重復(fù)使用，越來越受到人們的關(guān)注，因此離子液體吸收VOCs的研究也逐步開展起來[13]。離子液體雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其黏度較高且價(jià)格昂貴，難以直接應(yīng)用于工業(yè)過程。本課題組[14]通過研究發(fā)現(xiàn)，純離子液體[DDMIM][NTf2]對(duì)一定濃度的甲苯蒸氣有較好的吸收效果，但是因其成本較高，黏度大，工業(yè)化實(shí)施困難。因此筆者在前期研究的基礎(chǔ)上將其與水復(fù)配使用，可有效解決這些問題，推動(dòng)離子液體在工業(yè)上的應(yīng)用。

Gonzalez-Miquel等[15]采用熱力學(xué)分析方法篩選了對(duì)VOCs有較高溶解度的離子液體的陰陽離子，并根據(jù)偏摩爾超額焓與無限稀釋活度系數(shù)等熱力學(xué)參數(shù)建立了離子液體篩選標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)VOCs吸收的熱力學(xué)研究可用于描述吸收過程中狀態(tài)的變化程度，對(duì)吸收劑的選擇，工業(yè)過程的設(shè)計(jì)以及節(jié)能降耗具有關(guān)鍵意義。筆者針對(duì)汽油燃燒產(chǎn)生的混合有機(jī)廢氣，采用離子液體與水復(fù)配實(shí)現(xiàn)甲苯、丙酮混合廢氣的有效捕捉，分析影響甲苯、丙酮混合廢氣吸收的影響因素，并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)吸收劑的循環(huán)利用，并通過COSMO-SAC方法計(jì)算了甲苯和丙酮在[DDMIM][NTf2]中的無限稀釋活度系數(shù)[16]，來進(jìn)一步研究吸收過程的熱力學(xué)性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

1-十二烷基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([DDMIM][NTf2])、1-十二烷基-3-甲基咪唑雙氰胺鹽([DDMIM][DCA])、1-十二烷基-3-甲基咪唑?qū)妆交撬猁}([DDMIM][TOS])、1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽([EMIM][Cl])，均購自上海成捷化學(xué)有限公司，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%；甲苯、丙酮、鄰苯二甲酸二辛酯，均購自天津騰崟有限公司，均為分析純；去離子水，自制；N2購自萬策氣體有限公司。

氣相色譜SP-3400，北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司產(chǎn)品；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器RE-5299，天津科諾儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器DF-101S，山東甄城華魯電熱儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 離子液體-水復(fù)配吸收劑的制備方法

稱取一定質(zhì)量的[DDMIM][NTf2]，用去離子水定量至100 g，置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中，在一定攪拌速率下攪拌30 min，以保證離子液體在水相中分散均勻，得到[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑，然后直接接入吸收裝置，進(jìn)行吸收操作。

[DDMIM][DCA]-H2O、[DDMIM][TOS]-H2O、[EMIM][Cl]-H2O復(fù)配吸收劑的制備方法同上。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流程圖

圖1為吸收實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。由圖1可知，N2分兩路，分別以一定速率吹脫氣體發(fā)生器中的甲苯和丙酮溶液，在恒溫條件下能夠保證氣體以一定速率揮發(fā)。吹脫出來的甲苯蒸汽和丙酮蒸氣，在氣體混合瓶中混合，得到一定質(zhì)量濃度的VOCs廢氣。VOCs廢氣進(jìn)入孟氏氣體洗瓶，通過調(diào)節(jié)恒溫水浴鍋溫度來控制孟氏氣體洗瓶中吸收劑的溫度，經(jīng)孟氏氣體洗瓶中的吸收劑吸收后，氣體進(jìn)入裝有鄰苯二甲酸二辛酯的尾氣吸收瓶，然后排入大氣。在吸收實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，通過在孟氏氣體洗瓶進(jìn)出口分別采樣，經(jīng)氣相色譜分析其吸收效果。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)過程

調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)，使氣體混合器中的甲苯、丙酮的質(zhì)量濃度比為2∶1，選取離子液體-水復(fù)配吸收劑100 g，在通風(fēng)櫥中利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置在規(guī)定條件下進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同離子液體-水復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯、丙酮混合廢氣的吸收效果。當(dāng)吸收裝置的出口質(zhì)量濃度與進(jìn)口質(zhì)量濃度持平時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。篩選出對(duì)甲苯、丙酮混合廢氣吸收效果較好的離子液體-水復(fù)配吸收劑，并對(duì)吸收過程中的攪拌速率(v)、溫度(T)、離子液體在復(fù)配吸收劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)、進(jìn)氣流量(Q)和進(jìn)氣質(zhì)量濃度(CToluene、CAcetone)等影響因素進(jìn)行探究。

圖1 吸收實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The absorption experiment device1—Nitrogen cylinder; 2—Gas generator; 3—Gas(toluene,acetone) generator;4—Thermost water bath; 5—Gas mixer; 6—Sample connection; 7—Gas washing bottles

1.2.4 評(píng)價(jià)參數(shù)與分析方法

采用吸收率(η)來評(píng)定離子液體-水復(fù)配溶液對(duì)甲苯、丙酮混合廢氣的吸收效果，用公式(1)進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中，Cg,i為進(jìn)氣VOCs質(zhì)量濃度, mg/m3；Cg,o為出氣VOCs質(zhì)量濃度, mg/m3。

廢氣中各組分的含量采用氣相色譜分析，使用熱導(dǎo)池檢測(cè)器(TCD)檢測(cè)，色譜數(shù)據(jù)的收集處理裝置為N2000色譜數(shù)據(jù)工作站。操作條件為柱溫100 ℃，進(jìn)樣器溫度180 ℃，檢測(cè)器溫度170 ℃，色譜柱Q-3M柱。為確保結(jié)果準(zhǔn)確性，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別檢測(cè)3次。當(dāng)進(jìn)氣VOCs質(zhì)量濃度等于出氣VOCs質(zhì)量濃度且30 min無變化時(shí)，認(rèn)為體系達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同離子液體-水復(fù)配吸收劑對(duì)混合廢氣的吸收效果

不同離子液體-水復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯、丙酮混合廢氣的吸收率隨時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2(a)可見，含[DDMIM][NTf2]的復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯的吸收效果較好，其初始吸收率達(dá)到86%。由圖2(b)可見，含[DDMIM][DCA]的復(fù)配吸收劑對(duì)丙酮的吸收效果較好，其初始吸收率可以達(dá)到90%，含[DDMIM][NTf2]的復(fù)配吸收劑對(duì)丙酮的吸收效果稍差一些。

圖2 不同離子液體-水復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯、丙酮的吸收率Fig.2 The absorptivity of toluene and acetone in different ionic liquid-water complex absorbentsCToluene=20000 mg/m3; CAcetone=10000 mg/m3; Q=0.036 m3/h; v=1600 r/min; T=303.15 K; w=5%(a) Toluene; (b) Acetone

由于含[DDMIM][DCA]和[DDMIM][TOS]的吸收劑表面張力較大，在吸收過程中產(chǎn)生大量氣泡，需要進(jìn)行物理消泡，增加了操作難度。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，[DDMIM][NTf2]與水形成的O/W型離子液體乳化液[17]對(duì)混合氣體的吸收較好。所以選用[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 吸收器攪拌速率對(duì)吸收效果的影響

不同攪拌速率下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率隨時(shí)間的變化如圖3所示。由 圖3 可見：當(dāng)攪拌速率為1600 r/min時(shí)，[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯和丙酮的吸收效果較好；當(dāng)攪拌速率減至800 r/min或增至2400 r/min時(shí)，[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯和丙酮的吸收效果均較差；當(dāng)攪拌速率從800 r/min增至1600 r/min時(shí)，[DDMIM][NTf2]-H2O 對(duì)甲苯和丙酮的初始吸收率分別增加17.96百分點(diǎn)和2.71百分點(diǎn)。吸收效果的變化主要與分散體系強(qiáng)化氣-液傳質(zhì)機(jī)理中的流體力學(xué)作用有關(guān)。一方面，隨著攪拌速率的提高，加劇了液相主體內(nèi)的擾動(dòng)，氣-液接觸界面不斷更新，低濃度的液滴更容易接觸廢氣，使界面上的溶質(zhì)濃度變低，增加了推動(dòng)力。另一方面，提高攪拌速率，可以有效地減小其液膜阻力，有利于[DDMIM][NTf2]-H2O 復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯和丙酮的吸收。此外，攪拌速率的增加，使液滴粒徑變小，表面積增大，從而使吸收效果增強(qiáng)[18-20]。當(dāng)攪拌速率繼續(xù)提高時(shí)，[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯和丙酮的初始吸收率分別下降了4.31百分點(diǎn)和5.2百分點(diǎn)。這是由于速率提高導(dǎo)致破乳現(xiàn)象加重，破壞了體系的穩(wěn)定，使吸收效果降低。

圖3 不同攪拌速率下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率Fig.3 The absorptivity of toluene and acetone at different stirring ratesCToluene=20000 mg/m3; CAcetone=10000 mg/m3; Q=0.036 m3/h; T=303.15 K; w=5%(a) Toluene; (b) Acetone

2.3 溫度對(duì)吸收效果的影響

不同溫度下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率隨時(shí)間的變化如圖4所示。由圖4可見，在 303.15～323.15 K 范圍，隨溫度升高，[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯初始吸收率從86.10%降至41.79%，對(duì)丙酮的初始吸收率從88.42%降至42.71%。

隨著溫度的升高，甲苯和丙酮在 [DDMIM][NTf2]-H2O 復(fù)配吸收劑中的亨利系數(shù)變大，即降低了甲苯和丙酮在復(fù)配吸收劑中的溶解度，會(huì)導(dǎo)致復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯和丙酮的初始吸收率減小。隨著吸收時(shí)間的延長(zhǎng)，[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑中甲苯和丙酮的含量增加，此時(shí)，再吸收氣體時(shí)，傳質(zhì)阻力增加，不利于吸收過程的進(jìn)行。隨溫度升高，吸收率下降，表明復(fù)配吸收劑吸收甲苯、丙酮過程為放熱過程，升高溫度不利于吸收過程，因此[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯和丙酮的吸收是物理吸收。在303.15～323.15 K范圍內(nèi)，溫度對(duì)復(fù)配吸收劑的影響起主導(dǎo)作用，使其吸收效果隨溫度的升高而降低。

2.4 復(fù)配吸收劑中[DDMIM][NTf2]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸收效果的影響

不同離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率隨時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可見，隨著復(fù)配吸收劑中[DDMIM][NTf2]質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，復(fù)配吸收劑對(duì)丙酮的吸收效果影響微弱，對(duì)甲苯的吸收效果影響較大。當(dāng)[DDMIM][NTf2]質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%增至10%時(shí)，甲苯的吸收量變化明顯，初始吸收率從74%升至90%；當(dāng)[DDMIM][NTf2]質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增至15%時(shí)，復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯的吸收效果降低。

圖4 不同溫度下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率Fig.4 The absorptivity of toluene and acetone at different temperaturesCToluene=20000 mg/m3; CAcetone=10000 mg/m3; Q=0.036 m3/h; v=1600 r/min; w=5%(a) Toluene; (b) Acetone

圖5 不同離子液體質(zhì)量濃度下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率Fig.5 The absorptivity of toluene and acetone at different mass concentrationsCToluene=20000 mg/m3; CAcetone=10000 mg/m3; Q=0.036 m3/h; T=303.15 K; v=1600 r/min(a) Toluene; (b) Acetone

復(fù)配吸收劑中[DDMIM][NTf2]質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸收效果的影響，可以通過分散體系強(qiáng)化氣-液傳質(zhì)機(jī)理中的阻止氣泡聚并作用來解釋[21]。當(dāng)[DDMIM][NTf2]質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%增至10%時(shí)，[DDMIM][NTf2]在復(fù)配吸收劑中形成的液滴會(huì)破壞氣泡的生成。隨著液滴的增加，使氣泡聚并的現(xiàn)象減少，氣泡的直徑減小，從而有利于復(fù)配吸收劑對(duì)廢氣的吸收。此外，隨著[DDMIM][NTf2]質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯的溶解度變大，且[DDMIM][NTf2]與氣體接觸面積增加，使復(fù)配吸收劑對(duì)廢氣的吸收效果更好。但當(dāng)[DDMIM][NTf2]在復(fù)配吸收劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)變大時(shí)，復(fù)配吸收劑中液滴流動(dòng)減弱，使氣泡破裂的效果變?nèi)酢ｋm然溶解度增大，有利于吸收，但阻止氣泡聚并作用的下降更為明顯，使吸收效果變差。

2.5 進(jìn)氣流量對(duì)吸收效果的影響

不同進(jìn)氣流量下，[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率隨時(shí)間的變化如圖6所示。由圖6可見，隨著進(jìn)氣流量的減小，[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯和丙酮的吸收效果均增強(qiáng)。復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯的初始吸收率從進(jìn)氣流量0.072 m3/h時(shí)的73%增至0.024 m3/h時(shí)的93%；對(duì)丙酮的初始吸收率從進(jìn)氣流量0.072 m3/h時(shí)的83%增至0.024 m3/h時(shí)的93%。

隨著氣速的增大，[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑中的氣泡增加，氣泡被復(fù)配吸收劑中[DDMIM][NTf2]形成的液滴打破的幾率減小，使復(fù)配吸收劑阻止氣泡聚并作用的效果減弱。另一方面，隨著氣速的增加，廢氣在復(fù)配吸收劑中的停留時(shí)間變短，不利于廢氣在復(fù)配吸收劑中的吸收。隨著進(jìn)氣流量的增加，復(fù)配吸收劑對(duì)混合廢氣的吸收效果下降。

圖6 不同進(jìn)氣流量下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率Fig.6 The absorptivity of toluene and acetone at different intake flowsCToluene=20000 mg/m3; CAcetone=10000 mg/m3; T=303.15 K; v=1600 r/min; w=10%(a) Toluene; (b) Acetone

2.6 進(jìn)氣質(zhì)量濃度對(duì)吸收效果的影響

不同進(jìn)氣質(zhì)量濃度下，[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率隨時(shí)間的變化如圖7所示。保持混合廢氣中甲苯和丙酮配比不變，考察甲苯和丙酮質(zhì)量濃度分別為15000 mg/m3和7500 mg/m3、20000 mg/m3和10000 mg/m3、30000 mg/m3和15000 mg/m3時(shí)，[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑對(duì)混合廢氣的吸收情況。由圖7可見，隨著進(jìn)氣質(zhì)量濃度的下降，復(fù)配吸收劑對(duì)混合廢氣的吸收效果增強(qiáng)。隨著進(jìn)氣質(zhì)量濃度的降低，甲苯的初始吸收率從83%升至94%；丙酮的初始吸收率從89%升至95%。

圖7 不同進(jìn)氣質(zhì)量濃度下[DDMIM][NTf2]-H2O對(duì)甲苯、丙酮的吸收率Fig.7 The absorptivity of toluene and acetone at different mass concentrationsQ=0.024 m3/h; T=303.15 K; v=1600 r/min; w=10%(a) Toluene; (b) Acetone

進(jìn)氣質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)配吸收劑吸收效果的影響主要分為兩個(gè)方面。一方面，進(jìn)氣質(zhì)量濃度的減小，降低了氣相的傳質(zhì)阻力，使氣相中的廢氣進(jìn)入液相的效果變強(qiáng)，促進(jìn)了復(fù)配吸收劑的吸收效果。另一方面，進(jìn)氣質(zhì)量濃度的減小，降低了氣-液兩相間的濃度差，使推動(dòng)力變?nèi)?，影響了?fù)配吸收劑對(duì)廢氣的吸收。在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，第一方面因素起到主導(dǎo)作用，使復(fù)配吸收劑的吸收效果隨著進(jìn)氣質(zhì)量濃度的降低而增強(qiáng)。

2.7 離子液體-水復(fù)配吸收劑的再生性能

對(duì)[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑的再生性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將吸收完的復(fù)配吸收劑靜置240 min，使[DDMIM][NTf2]與水分層，利用分液漏斗取出[DDMIM][NTf2]。將分液后的[DDMIM][NTf2]在363.15 K下真空旋蒸[22-24]100 min，然后冷卻至室溫后保存。

將回收后的[DDMIM][NTf2]重新按比例配制成[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑，重復(fù)吸收實(shí)驗(yàn)。圖8為[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑在不同循環(huán)次數(shù)下對(duì)甲苯、丙酮的初始吸收率。由圖8可知，回收后[DDMIM][NTf2]所配成的復(fù)配吸收劑，對(duì)混合廢氣的吸收效果變化不大，表明復(fù)配吸收劑的再生性能良好。

圖8 [DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑的循環(huán)性能Fig.8 The cycle performance of the [DDMIM][NTf2]-H2Ocomplex absorbentCToluene=15000 mg/m3; CAcetone=7500 mg/m3;Q=0.024 m3/h; T=303.15 K; v=1600 r/min; w=10%

2.8 吸收劑對(duì)甲苯和丙酮混合氣體的飽和吸收量測(cè)定

表1為3種吸收劑對(duì)甲苯和丙酮混合廢氣的飽和吸收量。由表1可知，實(shí)驗(yàn)條件下純離子液體對(duì)甲苯和丙酮混合氣體的飽和吸收量可以達(dá)到72 mg/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純水對(duì)甲苯和丙酮混合氣體的飽和吸收量，表明[DDMIM][NTf2]在復(fù)配吸收劑吸收甲苯和丙酮混合廢氣的過程中起主要作用。

表1 吸收劑對(duì)甲苯和丙酮混合氣體的飽和吸收量Table 1 Saturated absorption of the mixture oftoluene and acetone

CToluene=15000 mg/m3;CAcetone=7500 mg/m3;Q=0.024 m3/h;T=303.15 K;v=1600 r/min

1)w=10%

3 離子液體吸收甲苯、丙酮的熱力學(xué)計(jì)算

甲苯在水中的溶解度很小(303.15 K時(shí)，溶解度為0.557 g/L)，水在吸收劑中的主要作用是稀釋離子液體，增大甲苯與離子液體接觸面積，提高傳質(zhì)效率；丙酮與水混溶，離子液體的加入增加了吸收劑對(duì)丙酮的吸收效率。為優(yōu)化計(jì)算，筆者主要以較優(yōu)的離子液體[DDMIM][NTf2]為例，考察純離子液體[DDMIM][NTf2]吸收甲苯和丙酮的熱力學(xué)性質(zhì)，以此評(píng)價(jià)[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯、丙酮的吸收性能。

3.1 無限稀釋活度系數(shù)與亨利系數(shù)

無限稀釋活度系數(shù)與亨利系數(shù)常用來衡量溶質(zhì)溶解性能[25]，筆者通過COSMO-SAC計(jì)算了甲苯和丙酮在[DDMIM][NTf2]中的無限稀釋活度系數(shù)，并通過式(2)將無限稀釋活度系數(shù)與亨利系數(shù)關(guān)聯(lián)

(2)

表2 甲苯和丙酮在[DDMIM][NTf2]中的無限稀釋活度系數(shù)(γ∞)和亨利系數(shù)(Hi)Table 2 Infinite dilution activity coefficient (γ∞) oftoluene and acetone in [DDMIM][NTf2] andHenry coefficients (Hi)

3.2 由亨利系數(shù)計(jì)算吸收過程熱力學(xué)數(shù)據(jù)

吸收過程中的Gibbs自由能(ΔG,kJ/mol)、焓變(ΔH,kJ/mol)、熵變(ΔS,J/(mol·K))可由亨利系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系得到：

ΔG=RTlnHi

(3)

(4)

(5)

其中，R為氣體常數(shù)(8.314 J/(mol·K))。表3為303.15 K下，[DDMIM][NTf2]吸收甲苯和丙酮的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。由表3可知，甲苯-[DDMIM][NTf2]、丙酮-[DDMIM][NTf2]體系的|ΔH|均小于|ΔS|，因此可以判斷甲苯、丙酮溶解于[DDMIM][NTf2]中均屬于熵控過程[26]。而相對(duì)較低的ΔH值意味著通過少量的能量就可以實(shí)現(xiàn)甲苯、丙酮與[DDMIM][NTf2]的分離。其中，丙酮-[DDMIM][NTf2]體系較小，說明丙酮-[DDMIM][NTf2]相對(duì)于甲苯-[DDMIM][NTf2]體系更容易實(shí)現(xiàn)分離[27]。

3.3 由無限稀釋活度系數(shù)計(jì)算偏摩爾超額焓

(6)

表3 [DDMIM][NTf2]吸收甲苯、丙酮的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Table 3 The thermodynamic data of toluene and acetone absorbed by [DDMIM][NTf2]

T=303.15 K

4 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了離子液體-水復(fù)配吸收劑吸收甲苯、丙酮混合廢氣的可行性，比較了不同離子液體-水復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯、丙酮混合氣體吸收效果。選取對(duì)混合廢氣吸收效果較好的由[DDMIM][NTf2]與水形成的O/W型離子液體乳化液([DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑)作為吸收劑，研究了該吸收劑對(duì)甲苯、丙酮混合廢氣的吸收效果?？疾炝藬嚢杷俾?、復(fù)配吸收劑中離子液體質(zhì)量濃度、進(jìn)氣流量和進(jìn)氣質(zhì)量濃度等因素對(duì)甲苯、丙酮吸收率的影響。結(jié)果表明：在甲苯、丙酮進(jìn)氣質(zhì)量濃度分別為15000 mg/m3和7500 mg/m3、進(jìn)氣流量0.024 m3/h、攪拌速率1600 r/min、吸收溫度303.15 K的實(shí)驗(yàn)條件下，[DDMIM][NTf2]質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的100 g復(fù)配吸收劑對(duì)甲苯的初始吸收率為94%，對(duì)丙酮的初始吸收率為95%。計(jì)算了吸收過程的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)[DDMIM][NTf2]-H2O復(fù)配吸收劑吸收甲苯、丙酮屬于熵控過程，丙酮-[DDMIM][NTf2]相對(duì)于甲苯-[DDMIM][NTf2]體系更容易實(shí)現(xiàn)分離。由偏摩爾超額焓得到丙酮與[DDMIM][NTf2]之間的分子作用力強(qiáng)于甲苯。對(duì)復(fù)配吸收劑進(jìn)行再生及循環(huán)吸收實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明復(fù)配吸收劑在5次重復(fù)使用中性能良好，驗(yàn)證了復(fù)配吸收劑回收利用的可行性。