离子液体支撑膜的制备及其CO2分离性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

随着能源结构调整、战略性新兴产业的发展，节能减排成为国民经济各行业的重要指标。中国作为发展中国家以及能源消费大国，面临的压力更大。政府间气候变化专门委员会(ipcc)指出全球温室气体主要有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟烃、全氟碳、六氟化硫等，其中二氧化碳是最重要的人为温室气体。因此从烟道气、原始天然气、化石燃料氢化产物中脱除或捕集co₂，以及在潜艇、空间站等密闭环境中分离co₂具有重要的社会意义^[1]。因此，二氧化碳捕捉、脱除酸性气体等技术也成为重点研究课题。例如co₂气体造成极为严重的温室效应，将其分离，具有积极意义。膜分离技术因过程简单、经济性好，在co₂分离脱除方面优势明显^[2]。早期，用于co₂分离的膜主要是有机高分子膜，但由于存在robeson上限，难以同时兼顾渗透通量和选择性的问题，使得应用受到限制^［2，3］。1967年，bloch等^［4］及ward等^［5］提出支撑液膜概念(supported liquid membrane，slm)。近年来,对于气体的选择性分离使用离子液体支撑膜（silms）已经获得越来越多的关注。

离子液体又称作室温离子液体或室温熔融盐，是指完全内阴、阳离子组成的，在室温或邻近温度下呈液体的有机化合物。由于组成离子液体的阴、阳离子数目相等，因此离子液体整体上显电中性。离子液体它与传统的离子化合物有很大的差别。最大的差别在于，传统的离子化合物室温下是固体，只有在高温状态下才能变成液态，而离子液体在室温附近很大的温度范围内均为液态。一系列研究表明离子液体具有良好的吸收溶解co₂能力，anthony等^［7，8］用分子模拟和实验方法研究了咪唑基离子液体对co₂的溶解机理，发现离子液体的阴离子对co₂溶解性有较大影响，co₂在含[tf₂n]^－的离子液体中溶解度更高。因此，学者们对离子液体支撑液膜分离co₂开始了研究，2004年scovazzo等^［9］实验证实部分离子液体支撑液膜的分离效果。常规离子液体的阳离子一般为含氮或含磷的有机离子，如咪唑离子、季铵离子、季鏻离子和吡啶离子等，阴离子主要为四氟硼酸[bf₄]^－、六氟磷酸[pf₆]^－、硝酸[no₃]^－、氰胺[dca]^－和双(三氟甲磺酰)亚胺[tf₂n]^－等。常规离子液体中，咪唑型离子液体的化学结构易于调整，黏度低，对co₂的吸收容量大，而且以咪唑盐离子液体为液膜相的支撑液膜也可表现出较好的co₂/n₂、co₂/ch₄分离效果,因此咪唑盐型离子液体为液膜相在支撑液膜分离co₂的研究中最为多见。但是支撑液膜的不稳定性，寿命相对较短，使支撑液膜至今仍未实现工业化应用。问题表现在两个方面^[6]：一是溶质（待分离组分）的渗透通量随着时间的延长而下降；另一是被支撑液膜隔开的两相（原料相和反萃取相）直接接触，失去分离效果。这些现象是由于液膜相（包括溶剂和载体）的损失及支撑体的微孔被堵塞所引起的。

为了解决slm稳定性问题，美国卡罗拉多大学的scovazzo和noble等^［9］最早提出了以离子液体(ionic liquids，ils)为液膜相制备lm，称之为支撑型离子液体膜(supported ionicliquidmembrane，silm)。所谓silm就是用一定方法将某种特定离子液体负载于基膜(有机或无机膜)孔道内形成的复合型液体膜。它同时具备了离子液体优良的溶剂特性以及膜分离高效率的优势。ils蒸气压接近于零，且表面张力大，结构可设计，作为液膜相，既可以提高slim的稳定性，还能借助功能化设计实现多种气体、有机物的分离。对于silm的研究包括气体分离^［10］、有机混合物分离^［11］以及silm稳定性^{［12，13］}等。好的稳定性是silm能够代替传统slim的重要原因。离子液体性质、接触相、基膜材料和结构以及制备方法等均影响silm稳定性和均匀性。离子液体和基膜材料一定情况下，科学的制备方法将直接决定silm的质量、稳定性和使用寿命。hernandez- fernandez等分析了真空法和加压法对silm稳定性的影响，发现加压法制备的silm稳定性要高于真空法^[12]。可见，制备方法对silm的质量有着重要影响，需要深入研究，在此基础上，指出了控制膜质量需要重视的关键科学问题和今后应该重点发展的研究方向，旨在推动该技术的应用基础研究和工业化开发。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题以离子液体膜为研究体系，以制备高稳定性、高渗透和分离性能的离子液体CO₂分离膜为目标，设计开发新的离子液体膜体系，提高其CO₂渗透性能；研究温度、压差及离子液体的种类对分离CO₂性能的影响，探寻最佳的应用条件。