吸收与萃取过程中杂原子化合物的定向转移与控制基础研究

Absorption and extraction are important unit operations in chemical engineering. Ionic liquid, a novel clean solvent, can be used in such processes as desulfurization of oils, deacidification of refinery gas and natural gas, and purification of chemical sewage. These processes involve the dissolution of heteroatom compounds, hydrocarbons and their mixture in ionic liquids. However, there is no accurate method to study the dissolution property of a solute in ionic liquids at present. This application project proposes a novel method using in-situ Fourier transform infrared (FTIR) spectrometry to study quantitatively the dissolution property of a solute in ionic liquids. This novel method can not only accurately study the solubility and dissolving rate of a single component in ionic liquids, but also quantitatively study the cooperative competition effect of various components of a muxture in ionic liquids. On the basis of this method, this project will study the structure activity relationship between the cation and anion structure of the ionic liquid and its dissolution property, further study the dissolution mechanism and performance of heteroatom compounds and hydrocarbons in ionic liquids together with quantum chemistry calculation, and obtain the directional transfer performance and control method of heteroatom compounds in ionic liquids. This research will provide fundamental data and guidance suggestion to the design of functionalized ionic liquids and their application in deacidification of gases, capture of carbon dioxide, desulfurization of oils, and purification of sewage.

吸收与萃取是重要的化工单元操作。离子液体作为新型绿色溶剂，可用于油品脱硫精制、炼厂气及天然气脱酸精制及化工污水净化处理等方面。这些过程都涉及到烃类、杂原子化合物及其混合物在离子液体中的溶解，但是目前尚缺少能够准确研究物质在离子液体中溶解性能的方法。本申请项目提出利用在线红外研究物质在离子液体中溶解性能的新思路，建立定量研究新方法，不仅能够准确研究单组分在离子液体中的溶解度、溶解速率，而且能够定量研究混合物中不同组分对溶解的协同竞争效应。在此基础上研究离子液体的阴阳离子组成结构与溶解性能的构效关系，进一步结合量子化学计算研究杂原子化合物与烃类在离子液体中的溶解机制与规律，获得离子液体中杂原子化合物的定向转移规律与控制方法。该研究可为功能化离子液体的设计开发及其在气体脱酸精制、CO2捕集、油品脱硫精制及污水净化处理等领域的应用提供基础数据与指导建议。

离子液体作为新型绿色溶剂，在油品脱硫精制、气体脱酸精制、化工污水净化处理及化合物分离等方面有潜在应用前景。研究含硫氮氧杂原子化合物及烃类在离子液体中的溶解性能对理解上述过程有着重要意义。本项目研究取得了下述主要成果：①建立了利用在线红外研究溶解性能的新方法，可用于测试溶解度与溶解速率，对于离子液体等深色溶剂也适用。②掌握了离子液体组成结构与溶解性能的构效关系，阳离子中烷基链的增长与环状结构的引入可增大烃类与杂原子化合物的溶解度，胺基等碱性官能团的引入能够显著提升酸性气体的溶解吸收性能；阴离子中含有S、N、O等能够增大杂原子化合物的溶解性能，含有Cu+等具有空轨道离子能够提升烯烃的溶解性能。③掌握了烃类与杂原子化合物在离子液体[Cnmim][MeSO4]中的溶解机制，环己烷、甲苯、邻二甲苯等烃类、乙酸乙酯等不易与该离子液体相互作用；环戊酮、环己酮、丙二酸、丁二酸、苯甲酸、四氢噻吩、正丁胺易与该离子液体发生作用吸附在[MeSO4]阴离子上；苯并噻吩、间苯二胺易与离子液体[Emim][MeSO4]发生作用吸附在[Emim]阳离子上。④获得了含硫、含氮、含氧化合物在离子液体[Cnmim][MeSO4]中的溶解规律，烃类在氯铝酸离子液体、[Cnmim][MeSO4]、CuCl类离子液体中的溶解规律，以及CO2与H2S在含胺基功能化离子液体中的溶解规律。⑤获得了杂原子化合物及烃类在离子液体中溶解的协同竞争效应规律，四氢噻吩等对2-甲基噻吩的溶解有协同作用，苯并噻吩等对2-甲基噻吩的溶解有竞争效应，所研究的含硫含氮化合物对二苯并噻吩的溶解均有促进作用，环己酮–甲苯、乙酸乙酯–甲苯中的溶解存在竞争效应。本项目研究发表期刊文章8篇，其中SCI收录7篇；申请发明专利3件；参加学术会议7次。