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.天津渤海職業技術學院，天津 300402;2.南京信息工程大學環境科學與工程學院，江蘇南京210044）

引言

一般來說，離子液體是一類在室溫呈液態的鹽。主要由有機陽離子和無機陰離子組成，在室溫下呈透明、油狀、液態物質[1]。由于其零件揮發性、低熔點、寬液程、可設計性、強溶解性等優點，引起國內外人士的廣泛關注。

作為高分子的聚合離子液體來說，由于其聚合起來條件苛刻而導致難度較大，因此目前這一領域的研究學者較少。但是，相對于離子液單體來說，具有不可比擬的優勢。

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，與丙烯酰胺進行共聚反應，使其固化。再對所合成產物進行CO2氣體的吸收研究。合成路線見圖1。

圖1 合成路線圖

1 實驗部分

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 實驗步驟

1.2.1 溴代1-烯丙基-3-甲基咪唑的合成

分別稱取物質的量比為1∶1.5的1-甲基咪唑和溴丙烯，在三口燒瓶中進行反應，在氮氣保護隔絕空氣條件下，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，除雜質后，再次減壓蒸餾除二氯甲烷，于40℃下進行真空干燥。

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丙烯酰胺置于反應裝置中反應，再稱取適量的交聯劑和反應溶劑，隔絕空氣進行反應。于60℃下反應超過一天。反應后，加入一定量的甲醇對產物進行沉淀后，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構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負荷分析裝置[3]。吸收裝置采用特制的玻璃管進行鼓泡，并控制氣體流量及氣流中CO2含量。本實驗直接采用純CO2氣體。氣流量保持在2L/min。每間隔5min取樣，進行CO2負荷分析。

2.2 解吸裝置采用電熱套進行加熱解吸

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負荷分析裝置利用強酸換弱酸的原理，用硫酸將CO2從吸收液中置換出來

吸收后測定的數據按照下式進行計算[4]：

式中：X-CO2在液相中的體積濃度，L/L；

V-CO2發生后量氣管的讀數，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-標準大氣壓，kPa。

計算X后的三種物質CO2吸收圖（見圖2～5）。橫坐標為時間，縱坐標為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，可以反復使用。

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 結論

離子液由于其本身的優勢，越來越多受到學者的追捧。離子液單體的研究已經趨近成熟，而對離子液聚合物的研究是一個難點，因其受到各種條件限制。當前，國外學者越來越多的關注離子液體聚合物，而國內尚未見過報道。如何將環保型材料離子液體、離子液體聚合物應用于實際生產，造福百姓，將會成為未來的發展方向。