离子液体的制备及其捕获CO2性能

徐海涛 徐玉韬

(南昌航空大学材料学院，江西 南昌 330063)

二氧化碳是当前排放量最大的温室气体，由此导致的全球气候变暖现象引起了人们的广泛关注。另一方面，CO2作为一种无毒、安全的碳源，可以转化成各种可再生能源和化工产品。CO2减排和资源综合利用已经成为本世纪研究的一个最重要课题[1，2]。

离子液体具有蒸汽压低，熔点低，溶解力强，结构可调等一系列特点[3]。利用离子液体捕获烟气或燃气中的CO2已经成为温室气体减排的重点研究方向之一[4，5]。

本文采用两步法制备了一种新型的氨基酸基离子液体，1-二乙二醇单甲醚基-3-甲基咪唑甘氨酸盐。在常压下，对所合成的离子液体进行了CO2捕获性能测试

一、实验部分

将甲基咪唑和氯代二乙二醇甲醚加入到装有磁力搅拌器和冷凝回流管的干燥三口烧瓶中，室温磁力搅拌2小时，停止反应，用无水乙醚洗涤产物，进一步真空干燥，除去残留的无水乙醚，得到淡橙红色、粘稠、液态的第一步中间产物。

合成条件中，采取卤代烷烃过量，保证甲基咪唑完全反应。获得的粗产物中，包括第一步中间产物及剩余的卤代烷烃。使用非极性无水乙醚萃取粗产物，除去剩余的卤代烷烃，至乙醚相中紫外吸收检测无信号为止，萃取6次以上可以达到上述效果。

将上一步中间产物用无水乙醇溶解，加入到装有阴离子交换树脂的层析柱中，室温下离子交换，获得碱性中间产物。以无水乙醇为流动相交换样品，交换速度为1滴/10秒，通过硝酸银溶液检测交换液中是否存在卤素离子。若交换速度过快，交换液中含有卤素离子，代表交换不完全，需要二次交换，交换速度过慢，溶剂无水乙醇会挥发，碱性中间产物在空气中会结合CO2发生变质。保证适当的交换速度是实验成功的关键因素。

将碱性中间产物减压蒸馏，脱除部分无水乙醇，然后向碱性中间产物中加入甘氨酸，发生酸碱中和反应，室温搅拌反应，得粗产物。粗产物经干燥除水、减压蒸馏脱除无水乙醇，得最终产物。

CO2捕获实验在一个大气压及不同的捕获温度下进行。在25℃，随着捕获过程的进行，样品颜色发生变化，从橙红变成黄色，同时粘度增加，这可能是由于捕获的CO2与样品发生了化学反应。

由于捕获CO2，样品的质量逐渐增加并最终趋于稳定。样品捕获CO2的质量与捕获时间的关系曲线如图1所示。图1表明，样品捕获CO2的过程是快速的，在40 min内完成饱和捕获，捕获容量最高达到0.39 g CO2/g sample。

图1 样品捕获CO2曲线图

温度对样品捕获CO2的过程有着强烈的影响。不同温度下，样品捕获CO2的质量与捕获时间的关系曲线如图2所示。图2表明，随着捕获温度的升高，捕获容量逐渐降低，在70℃，捕获容量降低到0.03 g CO2/g sample。温度对样品捕获CO2过程的影响表明，高温不利于样品捕获CO2，但高温可能对样品解吸CO2有利，在低温捕获的CO2，可以通过高温解吸，从而使样品再生。

图2 样品在不同温度下捕获/解吸CO2曲线图(A：捕获曲线；B：解吸曲线)

在低温离子液体样品捕获的CO2，可以在高温下解吸。不同温度下，离子液体样品解吸CO2的质量与解吸时间的关系曲线如图3所示。图3表明，解吸温度越高，CO2的解吸作用越完全，在110℃及更高温度，可以完全解吸。但是，当温度过高，样品会分解。综合考虑，样品的解吸温度以70℃为宜。在70℃及一个大气压下，在35min内，样品的解吸率达到60%以上。

图3 样品在不同温度下解吸CO2曲线图

不同捕获温度下饱和捕获CO2的样品，在相同的高温(70℃)下进行解吸，解吸CO2的质量与解吸时间的关系曲线如图2B所示。图2B表明，在相同的高温下，解吸率相同，与捕获温度无关。

捕获和解吸是平衡过程，这种平衡过程仅决定于热力学温度，温度的改变导致一个新的平衡。解吸过程决定于温度的改变程度，温度对解吸起着决定性作用。

二、结论

本文合成了一种新型的离子液体，这种离子液体具有优良的CO2捕获性能，是一种潜在的温室气体捕获材料。

[1]Rochelle G T.Amine scrubbing for CO2capture[J].Science，2009，325(23)：1652-1654.

[2]WangCongming，Luo Huimin，Luo Xiaoyan.Equimolar CO2capture by imidazolium-based ionc liquids and superbase systems[J].Green.Chem，2010，12(2)：2019-2023.

[3]McCann N，Maeder M，Attalla M.Simulation of enthalpy and capacity of CO2absorption by aqueous amine systems[J].Ind.Eng.Chem.Res，2008，47(6)：2002-2009.

[4]Lee J S，Wang X Q，Luo H M，et al.Facile ionothermal synthesis of microporous and mesoporous carbons from task specific ionic liquids[J].J.Am.Chem.Soc，2009，131(2)：4596-4597.

[5]Gurkan B E，Fuente J C，Brennecke J F，et al.Equimolar CO2absorption by anion-functionalized ionic liquids[J].J.Am.Chem.Soc，2010，132(7)：2116-2117.