CN109621640B - 一种用于吸收so2的负载型离子液体变色材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新材料应用技术领域，具体公开一种用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料，由乙酰胺/硫氰酸钠离子液体负载到硅胶上制得。本发明还公开了所述材料的制备方法和应用，其制备方法简单，采用浸渍法即可得到高负载率的负载材料，可用于高效吸收SO2，并可通过加热解吸后循环使用。本发明材料还可根据吸收量而发生颜色变化，可以达到半定量测定环境中SO2含量的作用。
Description
技术领域
本发明涉及新材料应用技术领域，具体涉及一种用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料及其制备方法和应用。
背景技术
SO2是主要大气污染物之一，主要来源于化石燃料的燃烧和汽车尾气的排放，过量的SO2排放造成了酸雨、光化学烟雾和其他环境问题，严重影响了人们的身体健康和日常生活。针对SO2的污染问题，各国也都在进行研究新的处理技术，以减少SO2对生态环境和身体健康的危害。目前工业上脱硫方式主要包括碱液吸收法、活性炭吸附法、催化氧化法等。随着科技的不断发展，新开发的工艺要求在实现良好吸收效果的同时，还要避免产生二次污染，尽量实现 SO2资源化循环使用。
离子液体由于具有良好热稳定性、低蒸汽压、可循环使用、阴阳离子可调控等特点，因此在SO2气体吸收方面已经表现出意想不到的效果，相比于传统的吸收方法，在吸收和解吸气体时避免了吸收液易挥发、难处理等问题。近年来，负载化离子液体引起广大离子液体研究者关注，其将离子液体负载到固体载体上，使载体表面具有离子液体的特性，已成为离子液体大规模应用的新途径之一。
但是，目前负载型离子液体对所使用的离子液体具有较高的选择性，并非所有离子液体负载到载体上后还能完全保留其吸收特性，目前所使用的离子液体结构大多比较复杂，价格较为昂贵，从而使SO2处理成本较高。此外，目前的吸收材料一般不具有颜色指示功能，无法直观判断吸收效果。
发明内容
针对以上技术现状，本发明提供一种吸收SO2效果好、易制备且成本低的负载型离子液体变色材料，并提供其制备方法和应用。
为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料，其是将乙酰胺/硫氰酸钠离子液体负载到硅胶上制得。
优选地，所述乙酰胺/硫氰酸钠离子液体中乙酰胺和硫氰酸钠的摩尔比为 (2～4):1。
优选地，所述乙酰胺/硫氰酸钠离子液体的负载量为30％～100wt％，负载量是指离子液体质量占载体硅胶质量的百分比。
本发明用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料，可根据所吸收的SO2的量而发生颜色变化。材料未吸收SO2时呈白色，每克材料的SO2吸收量达到0.1g时，材料呈微红色，每克材料的SO2吸收量达到0.2g时，材料呈浅红色，每克材料的SO2吸收量为0.3g以上时，材料呈砖红色。
本发明材料的颜色变化为红色系，有利于判断材料吸收SO2的数量。
本发明还提供了所述用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料的制备方法，其是将硅胶于200～250℃下煅烧12～15h后，采用浸渍法将所述乙酰胺/硫氰酸钠离子液体负载至上述处理后的硅胶上，浸渍时离子液体的溶剂为乙醇。
本发明还提供了利用所述负载型离子液体变色材料吸收SO2的方法，其是在10～70℃下，使含SO2的气体通过所述负载型离子液体变色材料。
优选地，所述气体的流量为20～30mL/min。
优选地，吸收SO2结束后，将所述负载型离子液体变色材料在80～100℃下进行解吸。解吸后的负载型离子液体变色材料循环用于吸收SO2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的负载型离子液体变色材料原料易得，成本低廉，制备过程简单，且对SO2具有较高的吸收量，并可多次重复使用。
(2)本发明所选用的离子液体与载体硅胶之间表现出显著的协同作用，负载后材料的吸收量远远高于离子液体和载体单独吸收量之和。
(3)本发明将选择的离子液体负载到硅胶上后，具有更高的热稳定性，其热稳定温度可提高30℃，扩展了离子液体的使用温度范围。
(4)本发明材料在吸收SO2过程中颜色会发生变化，红色系颜色变化容易识别，通过对比吸收材料的颜色和SO2的浓度的关系，可以达到半定量测定环境中SO2含量的作用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1负载型离子液体变色材料的制备
(1)乙酰胺/硫氰酸钠离子液体的制备
在氮气保护下，将摩尔比为3:1的乙酰胺和硫氰酸钠均匀混合于密闭的双口瓶中，加热至熔融，搅拌15～30min，直至混合物澄清全部生成粘稠性液体，在真空干燥箱下冷却至室温，即得到低共熔离子液体乙酰胺/硫氰酸钠，收率为100％。该离子液体经过热重分析得到分解温度为153℃。
(2)硅胶的预处理
取市售工业级硅胶，置于200℃的马弗炉中，煅烧12h，除去硅胶中所含有的杂质与水分，冷却后置于真空干燥器内备用。
(3)离子液体的负载
在氮气环境保护下，在30℃和常压下，准确称取2g乙酰胺/硫氰酸钠离子液体于三口瓶中，将其溶解在10mL无水乙醇中，然后称取2.5g步骤(2)所得硅胶放入三口瓶中，均匀搅拌12h。之后，将搅拌均匀的混合物移入圆底烧瓶中，旋转蒸发除去溶剂使之呈现为疏松的固态。室温冷却后，置于温度为 80℃的鼓风干燥箱，真空干燥4h，得到疏松状态的白色负载型离子液体变色材料，离子液体的负载率为80％(相对于硅胶的质量)。
该负载材料经过热重分析得到分解温度为183℃，较乙酰胺/硫氰酸钠离子液体的热稳定温度提高了30℃。
调整硅胶的质量，分别制得负载率为30％、40％、50％、60％、70％、90％和100％的负载型离子液体变色材料。
对比例1乙酰胺/硫氰酸钾-硅胶负载材料的制备
用硫氰酸钾替换实施例1中的硫氰酸钠，其余均与实施例1相同。
对比例2乙酰胺/硫氰酸铵-硅胶负载材料的制备
用硫氰酸铵替换实施例1中的硫氰酸钠，其余均与实施例1相同。
实施例2负载型离子液体变色材料吸收实验
在30℃和常压下，将SO2气体以30mL/min的流量通入实施例1以及对比例1和2制得的负载型离子液体变色材料中，计算SO2的吸收量，结果如表1 所示。
表1三种离子液体负载材料的SO2吸收量
由表1可见，乙酰胺/硫氰酸钾和乙酰胺/硫氰酸铵两种离子液体负载到硅胶上后，对SO2的吸收量均显著低于本发明的负载材料。
本发明负载型离子液体变色材料中乙酰胺和硫氰酸钠的摩尔比为 (2～4):1时对SO2的吸收效果相当。
实施例3负载型离子液体变色材料的变色性能
用实施例1制得的材料吸收不同质量的SO2，观察其颜色，每克材料的 SO2吸收量为0g时，材料呈白色，每克材料的SO2吸收量为0.1g时，材料呈微红色，每克材料的SO2吸收量为0.2g时，材料呈浅红色，每克材料的SO2吸收量为0.3g及以上时，材料呈砖红色。
实施例4负载型离子液体变色材料解吸和循环使用实验
在常压下，将吸收完SO2后的实施例1的材料在90℃下旋蒸直至恒重，得到回收的负载型离子液体变色材料，可直接应用于下一批次的吸收过程。
以负载量为80％的负载型离子液体变色材料为例，循环使用吸收SO2的效果如表2所示。
表2 80％负载量乙酰胺/硫氰酸钠-硅胶循环使用吸收SO2效果
| 循环使用次数(次) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 吸收量(g) | 0.390 | 0.385 | 0.386 | 0.383 | 0.380 |
可见，本发明材料可循环使用5次以上而对SO2的吸收量无明显下降。
实施例5负载型离子液体变色材料原料之间相互作用实验
选用不同的离子液体(ILs)，对其负载前后的吸收性能进行测定(吸收实验条件同实施例2，离子液体负载量均为80％)，结果如表3所示。
表3离子液体-硅胶复合材料原料之间作用分析
注：负载材料理论吸收量＝每克ILs的SO2吸收量*ILs在负载材料中的质量分数+每克硅胶的SO2吸收量*硅胶在负载材料中的质量分数。
由表3的结果可见，三辛胺盐酸盐和1-丁基-3-甲基咪唑氢氧化物 (BmimOH)负载到硅胶上后，负载材料的吸收量低于离子液体和硅胶的理论吸收量之和，即离子液体和载体之间呈现拮抗的作用；乙酰胺/硫氰酸铵负载到硅胶上后，负载材料的吸收量仅略高于离子液体和硅胶各自吸收量之和，可以认为离子液体和载体之间呈现相加的作用；四甲基胍乳酸盐(TMGL)负载到硅胶上后，实际吸收量高出理论吸收量33.5％，但是TMGL成本较高，不利于工业化应用；而本发明选用的乙酰胺/硫氰酸钠负载后，负载材料的吸收量明显高于离子液体和硅胶各自吸收量之和，即该离子液体和硅胶之间呈现了显著的协同作用，且乙酰胺和硫氰酸钠成本均较低，有利于工业应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料，其特征在于，将乙酰胺/硫氰酸钠离子液体负载到硅胶上制得；所述乙酰胺/硫氰酸钠离子液体的负载量为30％～100wt％。
2.如权利要求1所述的用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料，其特征在于：所述乙酰胺/硫氰酸钠离子液体中乙酰胺和硫氰酸钠的摩尔比为(2～4):1。
3.如权利要求1所述的用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料，其特征在于：根据所吸收的SO2的量，所述负载型离子液体变色材料的颜色发生变化。
4.如权利要求3所述的用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料，其特征在于：材料未吸收SO2时呈白色，每克材料的SO2吸收量达到0.1g时，材料呈微红色，每克材料的SO2吸收量达到0.2g时，材料呈浅红色，每克材料的SO2吸收量为0.3g以上时，材料呈砖红色。
5.权利要求1～4任一项所述用于吸收SO2的负载型离子液体变色材料的制备方法，其特征在于：将硅胶于200～250℃下煅烧12～15h，采用浸渍法负载至上述处理后的硅胶上，浸渍时离子液体的溶剂为乙醇。
6.利用权利要求1～4任一项所述负载型离子液体变色材料吸收SO2的方法，其特征在于：在10～70℃下，使含SO2的气体通过所述负载型离子液体变色材料。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述气体的流量为20～30mL/min。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：吸收SO2结束后，将所述负载型离子液体变色材料在80～100℃下进行解吸。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：解吸后的负载型离子液体变色材料循环用于吸收SO2。
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