CN110368782A - 一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，包括如下步骤：在吸收罐中加入氢键自组装型离子液体，将吸收罐的空气抽出，充入氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待氨气压力达到捕集平衡时，即完成第一次氨气捕集；自组装型离子液体由含有氢质子给体的弱碱性有机物作为阳离子前驱体，以及双三氟甲磺酰亚胺或双三氟甲磺酰亚胺锂盐作为阴离子前驱体制备而成，自组装型离子液体中阳离子和阴离子之间通过氢键协同作用自组装成有序排布的结构。本发明的氢键自组装型离子液体存在协同氢键作用，捕集氨气过程中协同氢键作用断裂，达到高容量氨气捕集的目的，氨气捕集容量集中于10wt％‑22wt％，并且可达到22.7wt％，因此，氢键自组装型离子液体具有氨气捕集容量高的特点。

Description

一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法
技术领域
本发明涉及气体捕集领域，具体涉及一种利用氢键自组装型离子液体可实现氨气循环捕集和脱吸的方法。
背景技术
化工行业中，氨气(NH3)是重要的化工原料之一，应用于众多工业的生产流程中，包括食品加工、化肥制备、捕鱼作业、橡胶和皮革制造、牲畜饲养和废水处理等。化工排放的废气中含有大量的氨气，如果不对其进行有效处理，将会对环境造成严重的污染，同时也导致氨资源的损失。因此，对废氨的分离与回收具有重要意义。目前在实际应用中，通过对氨烟气进行洗涤达到吸收氨气的目的，应用于吸收废气中氨气的捕集剂是水或水溶液。如专利CN00123369.6采用水洗涤电厂烟气脱硫系统中的含氨烟气，专利CN201020243317.5和CN200910050268.5的氨气吸收装置的吸收剂为水。氨气溶解于水中得到的氨水浓度较低，不能回收使用；同时作为污水处理困难，且增加了生产成本。专利CN104787972A使用2-4％的硫酸溶液作为氨气的吸收剂，其产生的硫酸铵溶液需通过蒸发结晶处理，导致NH3的回收耗能高、废水量大。因此开发高效可循环使用的NH3捕集剂是十分必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用氢键自组装型离子液体可实现氨气高效捕集和脱吸的方法。
为了达成上述目的，本发明的技术方案是：
一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，其特征在于，包括如下步骤：在装有压力传感器的吸收罐中，加入氢键自组装型离子液体，将吸收罐的空气抽出，在80℃以下的温度条件下，充入101kPa及以下压力的氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待压力传感器显示氨气压力达到捕集平衡时，即完成第一次氨气捕集；
自组装型离子液体作为氨气捕集剂，由含有氢质子给体的弱碱性有机物作为阳离子前驱体，以及双三氟甲磺酰亚胺或双三氟甲磺酰亚胺锂盐作为阴离子前驱体制备而成，自组装型离子液体中阳离子和阴离子之间通过氢键协同作用自组装成有序排布的结构。
优选地，含有氢质子给体的弱碱性有机物为2-氨基吡啶、3-氨基吡啶、2甲基吡啶、2-脒基吡啶盐酸盐、3-脒基三唑盐酸盐或者3-脒基吡唑盐酸盐。
优选地，在第一次氨气捕集完成后，取出氢键自组装型离子液体，置于温度为80℃，真空度为1kPa的真空烘箱中1.0小时及以上，而后取出氨气脱吸后的氢键自组装型离子液体，完成第一次氮气脱吸，在完成第一次氨气脱吸后，在装有压力传感器的吸收罐中，加入脱吸后回收的氢键自组装型离子液体，然后重复第一次氨气捕集的相应操作步骤，完成第二次氨气捕集。
采用上述技术方案后，本发明一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，具有以下有益效果：所述氢键自组装型离子液体存在协同氢键作用，所述捕集氨气过程中协同氢键作用断裂，达到高容量氨气捕集的目的，氨气捕集容量集中于10wt％-22wt％，并且，当氨气压力可达到22.7wt％，当氨气压力低至3.9kPa时，氨气容量仍可达到6.0wt％。因此，氢键自组装型离子液体具有氨气捕集容量高的特点。
优选地，本发明一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，包括氨气捕集和氨气脱吸等步骤，在氨气脱吸过程中协同氢键作用重新形成，降低了氨气脱吸的能耗(氨气的脱吸一般需要温度在120℃下减压脱吸)；氨气脱吸后氢键自组装型离子液体具有再次捕集氨气的功能，且可实现对氨气捕集和脱吸的循环应用，因此，氢键自组装型离子液体具有氨气脱吸条件温和、可重复使用等特点。
附图说明
图1为本发明中[2NH2-PyH][Tf2N]的10次循环捕集氨气的捕集容量柱状图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本发明一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，包括如下步骤：
(1)氢键自组装型离子液体的制备，氢键自组装型离子液体由含有氢质子给体的弱碱性有机物作为阳离子前驱体，以及双(三氟甲磺酰)亚胺(HTf2N)或双(三氟甲磺酰)亚胺锂盐(LiTf2N)作为阴离子前驱体制备而成，自组装型离子液体中阳离子和阴离子之间通过氢键协同作用自组装成有序排布的结构。上述含有氢质子给体的弱碱性有机物为2-氨基吡啶((2NH2-Py)、3-氨基吡啶(3NH2-Py)、2甲基吡啶(2Me-Py)、2-脒基吡啶盐酸盐([PyAm][Cl])、3-脒基三唑盐酸盐([TrizAm][Cl])或者3-脒基吡唑盐酸盐([PzAm][Cl])。
氢键自组装型离子液体的制备过程如下：将HTf2N配成1mol/L的水溶液，量取HTf2N水溶液与2NH2-Py等摩尔反应，旋转蒸发除去水分后得到氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]；或者量取HTf2N的水溶液与3NH2-Py等摩尔反应，转蒸发除去水分后得到氢键自组装型离子液体[3NH2-PyH][Tf2N]；或者量取HTf2N的水溶液与2Me-Py等摩尔反应，旋转蒸发除去水分后得到氢键自组装型离子液体[2Me-PyH][Tf2N]。
或者将LiTf2N配成1mol/L的水溶液，量取LiTf2N水溶液与[TrizAm][Cl]按溶质等摩尔混合，过滤得到氢键自组装型离子液体[TrizAm][Tf2N]；或者量取LiTf2N水溶液与[PzAm][Cl]按溶质等摩尔混合，过滤得到氢键自组装型离子液体[PzAm][Tf2N]；或者量取LiTf2N水溶液与[PyAm][Cl]按溶质等摩尔混合，过滤得到氢键自组装型离子液体[PyAm][Tf2N]。
优选地，[2NH2-PyH][Tf2N]的制备过程如下：在100mL烧杯中加入1mol/L的HTf2N水溶液60mL(含HTf2N 60mmol)，加入5.65g2NH2-Py(60mmol)，磁力搅拌混合溶液并加热至80℃，保持5分钟后，静置自然冷却，70℃旋转蒸发除去水分得到固体产物，所述固定产物用5mL冰水洗涤并过滤，5mL冰水冲洗和过滤重复3遍得到的固体产物在80℃下真空干燥12h，制得氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，经测定，其熔点为62-67℃，小于离子液体熔点小于100℃的特征。
[3NH2-PyH][Tf2N]和[2Me-PyH][Tf2N]的制备过程与制备[2NH2-PyH][Tf2N]相类似，在此不予累述。
优选地，[TrizAm][Tf2N]的制备过程如下：在100mL烧杯中加入1mol/L的LiTf2N水溶液60mL(含LiTf2N 60mmol)，加入8.85g[TrizAm][Cl](60mmol)，磁力搅拌混合溶液并加热至80℃，保持5分钟后，静置自然冷却结晶，待溶液中晶体不再析出时，过滤得到的固体用5mL冰水冲洗并过滤，5mL冰水冲洗和过滤重复3遍得到的固体产物在80℃下真空干燥12h，制得氢键自组装型离子液体[TrizAm][Tf2N]，经测定，其熔点为42-45℃,小于离子液体熔点小于100℃的特征。[PzAm][Tf2N]和[PyAm][Tf2N]的制备过程与上述[TrizAm][Tf2N]的制备过程相类似，在此不予累述。
(2)氨气捕集，下面以自组装型型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]为例进行说明。在装有精密压力传感器的250mL吸收罐中，加入0.5g的氢键自组装型型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，将吸收罐的空气抽出，在30℃下充入101kPa压力的氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待压力传感器示数无明显变化，即达到捕集平衡。捕集容量高达17.5wt％。
不同氢键自组装型离子液体在30℃，101kPa压力的氨气条件下，捕集容量见表1，从表中可以看到，氢键自组装型离子液体[TrizAm][Tf2N]的氨气捕集容量高达22.7wt％。
表1.不同氢键自组装型离子液体的氨气捕集容量对照表
氢键自组装型离子液体 捕集容量(wt％)
[2NH<sub>2</sub>-PyH][Tf<sub>2</sub>N] 17.5
[3NH<sub>2</sub>-PyH][Tf<sub>2</sub>N] 17.2
[2Me-PyH][Tf<sub>2</sub>N] 14.5
[TrizAm][Tf<sub>2</sub>N] 22.7
[PzAm][Tf<sub>2</sub>N] 19.0
[PyAm][Tf<sub>2</sub>N] 12.2
实施例2
本发明一种利用氢键自组装型离子液体(在不同压力条件下)高效捕集氨气的方法，包括如下步骤：在装有精密压力传感器的250mL吸收罐中，加入0.5g的氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，将吸收罐的空气抽出，在30℃下充入不同分压的氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待压力传感器示数无明显变化时，即达到捕集平衡，不同氨气压力条件下[2NH2-PyH][Tf2N]的氨气捕集容量见表2。从表中可以看到，在氨气压力低至3.9kPa(39000ppm)时，[2NH2-PyH][Tf2N]的氨气容量为6.0wt％。
表2.不同氨气压力条件下[2NH2-PyH][Tf2N]的氨气捕集容量。
实施例3
本发明一种氢键自组装型离子液体(在不同温度条件下)高效捕集氨气的方法，包括如下步骤：在装有精密压力传感器的250mL吸收罐中，加入0.5g的氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，将吸收罐的空气抽出，在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃下充入101kPa的氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待压力传感器示数无明显变化时，即达到捕集平衡。不同温度下的[2NH2-PyH][Tf2N]的氨气捕集容量见表3。从表3可以看到随着温度的升高，氨气捕集容量有所下降，当温度升至70℃时，氨气捕集容量降低至11.2wt％。
表3.不同温度条件下[2NH2-PyH][Tf2N]的氨气捕集容量。
氨气捕集温度(℃) 氨气捕集容量(wt％)
30 17.5
40 15.3
50 13.6
60 12.2
70 11.2
实施例4
本发明一种氢键自组装型离子液体应用于氨气捕集的方法中的捕集剂循环利用，包括如下步骤：
1.氨气捕集。在装有精密压力传感器的250mL吸收罐中，加入0.5g的氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，将吸收罐的空气抽出，在30℃下充入101kPa的氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待压力传感器示数无明显变化，即完成第一次氨气捕集。
2.氨气的脱吸。在第一次氨气捕集完成后，取出捕集氨气后的所述氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，置于温度为80℃，压力为1kPa的真空烘箱中1.0小时，完成第一次氨气脱吸；
3.捕集剂的回收利用。取出氨气脱吸后的氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，在装有精密压力传感器的250mL吸收罐中，加入步骤2中脱吸后回收的氢键自组装型离子液体[2NH2-PyH][Tf2N]，将吸收罐的空气抽出，在30℃下充入101kPa压力的氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待压力传感器示数无明显变化时，即完成第二次氨气捕集。
4.重复所述步骤2和步骤3，得到图1中所列[2NH2-PyH][Tf2N]的10次循环捕集氨气的捕集容量。
5.本实施例制备[2NH2-PyH][Tf2N]作为氨气的捕集剂，由于捕集剂的协同氢键作用在氨气捕集过程中断裂，并且在氨气脱吸时重新生成，从而使得氨气在80℃、1kPa条件下1小时就能完全脱吸。氢键自组装型离子液体作为氨气捕集剂具有可重复使用的特点。
上述实施例和附图并非限定本发明的方法，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (3)

1.一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，其特征在于，包括如下步骤：在装有压力传感器的吸收罐中，加入氢键自组装型离子液体，将吸收罐的空气抽出，在80℃以下的温度条件下，充入101kPa及以下压力的氨气，密封吸收罐进行氨气捕集，待压力传感器显示氨气压力达到捕集平衡时，即完成第一次氨气捕集；
自组装型离子液体作为氨气捕集剂，由含有氢质子给体的弱碱性有机物作为阳离子前驱体，以及双三氟甲磺酰亚胺或双三氟甲磺酰亚胺锂盐作为阴离子前驱体制备而成，自组装型离子液体中阳离子和阴离子之间通过氢键协同作用自组装成有序排布的结构。
2.如权利要求1所述的一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，其特征在于：含有氢质子给体的弱碱性有机物为2-氨基吡啶、3-氨基吡啶、2甲基吡啶、2-脒基吡啶盐酸盐、3-脒基三唑盐酸盐或者3-脒基吡唑盐酸盐。
3.如权利要求1所述的一种利用氢键自组装型离子液体高效捕集氨气的方法，其特征在于：在第一次氨气捕集完成后，取出氢键自组装型离子液体，置于温度为80℃，真空度为1kPa的真空烘箱中1.0小时及以上，而后取出氨气脱吸后的氢键自组装型离子液体，完成第一次氮气脱吸，在完成第一次氨气脱吸后，在装有压力传感器的吸收罐中，加入脱吸后回收的氢键自组装型离子液体，然后重复第一次氨气捕集的相应操作步骤，完成第二次氨气捕集。
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