纳滤法分离回收咪唑离子液体研究

发布时间：2020-08-17 18:59

【摘要】：离子液体作为一种结构可调的绿色溶剂在许多领域显现出巨大的应用前景。针对离子液体大规模工业化应用,需要解决的最突出问题之一就是如何高效地回收重复利用,因此开发离子液体回收方法具有重要现实意义。纳滤作为一种重要的化工分离单元操作,由于其操作简单,低温节能等优点,被广泛应用于多种体系中组分的分离和回收。本论文提出采用纳滤法分离回收一系列咪唑离子液体的思路。重点考察了分子大小以及溶液环境对膜分离效果的影响;分析了离子液体团簇对膜分离长碳链离子液体水溶液的影响;建立了考虑团簇因素的溶解扩散模型,使其适用于不同链长的咪唑离子液体水溶液。具体内容如下:(1)使用陶氏纳滤膜分离了一系列1-烷基-3-甲基咪唑盐([Cnmim]X,n表示阳离子烷基侧链长短,X表示阴离子)。考察了分子大小对膜通量(Jv)和截留率(Ro)的影响;研究了溶液环境对膜分离效果的影响,包括溶液pH、离子强度和大分子有机物。实验结果表明,分子大小和大分子有机物通过影响孔径筛分效应影响膜分离效果;pH和离子强度通过影响电荷效应影响膜分离效果。研究还发现,溶液环境也对某些离子液体的物化性质产生影响,从而进一步影响膜分离机制及膜分离效果。(2)研究了离子液体团簇对膜分离效果的影响。使用陶氏纳滤膜分离了一系列不同浓度的长碳链离子液体水溶液,通过实验和分子动力学模拟方法,研究了团簇在水溶液中的存在状态;阐述了团簇对膜通量和截留率的影响,以及对膜污染和膜重复利用的影响。实验结果表明,团簇主要通过影响孔径筛分作用影响膜分离效果:离子液体浓度越大,团簇的平均大小越大,导致膜通量降低,截留率升高。团簇能有效缓解膜污染,其原因是团簇增强了孔径筛分作用,导致离子液体进入膜孔道的难度变大,膜孔道被堵塞几率下降。因此,可以通过调控团簇大小,提高了纳滤分离长碳链离子液体水溶液的分离性能。(3)考察了溶解扩散模型对纳滤分离长碳链离子液体水溶液的适用性。使用陶氏纳滤膜分离了不同浓度的长碳链离子液体水溶液,测定了膜通量和截留率。使用溶解扩散模型对截留率进行了预测,并和实验值进行了对比。计算结果发现,该模型适用于低浓度长碳链离子液体水溶液,不适用于高浓度长碳链离子液体水溶液,最大平均相对偏差达268%。建立了考虑团簇因素的溶解扩散模型,通过分子动力学模拟,对不同浓度的离子液体水溶液中的团簇大小进行了定量计算并依据团簇大小对模型中的相关参数进行了合理地修正。计算结果发现,通过改进后模型预测的计算值和实验值更加吻合,最大平均相对偏差仅为3.4%。(4)初步分析了纳滤耦合蒸馏回收离子液体的经济性。计算了纳滤耦合减压蒸馏方法(先经纳滤预浓缩,再减压蒸馏)回收离子液体的成本,并和单一减压蒸馏方法进行了对比。实验结果发现,纳滤耦合减压蒸馏方法的成本仅为单一减压蒸馏成本的18%,其原因是气体做功能耗低于加热蒸发能耗。提出了二级纳滤耦合减压蒸馏回收长碳链离子液体方法:先使用孔径较小的纳滤膜进行脱水,随着离子液体浓度升高,团簇生成并逐渐变大,适时改用孔径较大的纳滤膜继续进行脱水,最后,经过两步纳滤预浓缩的离子液体经减压蒸馏彻底除水。实验结果表明,该方法相比一级纳滤,成本进一步降低13%。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ028.8
【图文】：

者羧酸根阴离子的离子液体。此外，当离子液体作为中性化合物和完整单一离子逡逑曰、Ｊ邋，学者们提出了两种分离机制适用于蒸馏分离离子液体，分别是单独分离机制逡逑和团聚分离机制，如图１．２所示。逡逑０邋０邋0邋0逡逑＠邋＠逡逑０邋？邋°邋°逡逑篇＿邋ＩＩ藤逡逑Ｐｒｏｔｉｃ邋ｉｏｎｉｃ邋ｌｉｑｕｉｄ逦Ａｐｒｏｔｉｃ邋ｉｏｎｉｃ邋ｌｉｑｕｉｄ逡逑图１．２蒸馏离子液体过程机制１４９１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ邋ｏｆ邋ＩＬｓ邋ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ１４９１逡逑Ｗｅｌｌｎｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．［５（）］报道了在连续化操作模式下，使用金属单管降膜蒸发器分离逡逑离子液体和水的方法，并确定了最优工艺参数，如图１．３所示。他们分离了二甲逡逑基－二羟基－乙胺甲基磺酸盐（ＩＬ１）和１－乙基－３－甲基咪唑硫酸乙酯盐（ＩＬ２）两种逡逑离子液体，考察了在不同的进料速率和入口离子液体浓度条件下，离子液体的脱逡逑水情况。实验结果表明，该方法的脱水效率很高，达到０．００８６至０．０１２１邋ｇｗａｔｅｒ／ｇｔｏｔａｌ。逡逑实验同时发现，回收所得离子液体残留水含量取决于各种工艺参数，比如操作压逡逑力和加热温度等。当离子液体进料流量小于４邋ｋｇ邋ｆ时，ＩＬ２残留水含量与进料逡逑速率无关（？０．００９邋ｇｗａｔｅｉ７ｇｔＣ）ｔａｌ）；当进料流量大于３邋ｋｇ邋Ｉｆ１时，ＩＬ１残留水含量从０．０１１逡逑ｇｗａｔｗ／ｇｔｍａ｜增加到0．0１４ｇｗａｔｅｙｇｔｍａｌ左右

被大大削弱，导致形成了离子液体富集相。而甲醇则可以溶解在Ｃ０２中，形成逡逑了甲醇富集相。这种现象提供了一种新的思路，可以实现将离子液体和溶剂分离逡逑的目的（图１．５）。Ｐｅｎｇｅｔａｌ．［８７］也报道了使用高压Ｃ０２从水溶液中分离回收亲水逡逑和部分疏水离子液体的工作。最近，Ｘｉｏｎｇ邋ｅｔａｌＪ８８］＆现在常温常压，胺类化合物逡逑存在的条件下，将Ｃ０２引入离子液体水溶液中同样可以形成双水相体系，上相逡逑是铵盐富集相，下相是离子液体富集相。使用此方法，水相中的离子液体可以实逡逑现最大程度回收，而胺类化合物可以通过加热或者氮气吹扫的方法得到再生。这逡逑种方法可以有效地实现离子液体的分离回收，只需要一步就可以实现９９邋％的离逡逑子液体回收率。由于没有产生污染物，Ｃ０２诱导形成双水相体系的过程被认为是逡逑绿色无污染的过程，但是，这种方法需要昂贵的机械设备以及技术娴熟的操作人逡逑员

逦？逡逑Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ邋Ｃ0２邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑图１．５增加二氧化碳压力对双水相分离丨Ｃ４ｍｉｍｌ【ＰＦ６Ｉ和甲醇的影响１６２１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋［Ｃ４ｍｉｍ］［ＰＦ６］／ｍｅｔｈａｎｏｌ邋ｐｈａｓｅ邋ｂｅｈａｖｉｏｒ邋ｗｉｔｈ邋ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ邋Ｃ０２逡逑ｐｒｅｓｓｕｒｅ１６２１逡逑此外，一些用在特定体系的离子液体，比如氨基酸离子液体［８９］、含铁元素离逡逑子液体［９（）］、带电聚合物离子液体［９１］和阳离子聚合离子液体［９２］等，通过调节温度，逡逑它们的水溶液就可以展现良好的相分离现象。这些体系的相分离温度取决于离子逡逑液体的结构和含水量，且离子液体的疏水性越强，相分离的温度越低。Ｆｕｋｕｍｏｔｏ逡逑付此［８９］分析了氨基酸离子液体水溶液的相分离温度。疏水的氨基酸阴离子上含有逡逑自由羧基，这些羧基对相分离温度有着重要影响。他们同时发现，相分离温度和逡逑离子液体的含水量也有着很大关系，含水量越高，相分离温度越低。随着温度降逡逑低，分成两相的疏水离子液体／水体系逐渐变成同相；随着温度升高，体系发生逡逑了相分离现象，同时产生不透明，肉眼可见且清晰的悬浊液分离相（如图１．６）。逡逑然而

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 李雪辉;李帅;王芙蓉;王乐夫;;离子液体工业化面临的几个问题[J];广州化工;2006年03期

本文编号：2795711