CN115999319A - 一种具有强氢键供体的质子型离子液体高效吸收氨气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有强氢键供体的质子型离子液体高效吸收氨气的方法，属于气体分离与净化技术领域。其特点在于以具有多个氢键位点的质子型离子液体为吸收剂，其中质子型离子液体阳离子上具有两个或多个酸性质子氢和羟基的强氢键供体的基团，通过质子氢和羟基与氨气分子间的多重氢键的耦合作用，实现对氨气高效吸收，采用加热或减压方式可将NH3完全解吸出来，再生后吸收剂可循环使用且吸收性能保持稳定。该方法具有NH3吸收量高、易于解吸、可循环利用等优点，在NH3净化分离方面极具应用前景。
Description
技术领域
本发明属于气体分离与净化技术领域，具体涉及一种具有强氢键供体的质子型离子液体高效吸收氨气的方法，所述的质子型离子液体阳离子上具有两个或多个酸性质子氢和羟基的强氢键供体的基团，通过质子氢和羟基与氨气分子间的多位点氢键耦合作用，实现对氨气高效可逆吸收分离的方法。
背景技术
氨气(NH3)是一种具有强烈刺激性气味、有毒的碱性气体，它也是典型的有毒有害工业气态污染物之一，其污染主要来源于合成氨生产的驰放气、尿素造粒塔的排放尾气、焦炉煤气、氨冷冻罐排气、硝酸装置尾气等。大量工业含氨尾气直接排入大气会与SOX和NOX等进一步反应，生成的硫酸铵和硝酸铵等颗粒物是形成雾霾的主要原因，严重污染环境，同时也会造成氨资源的严重损失。2015年无机化学工业污染物排放标准(GB31573-2015)规定，要求排放尾气中氨含量≤20mg/m3。另一方面，NH3也是一种重要的化工原料，在氮肥、冷冻介质、合成纤维、制药等领域有着广泛的应用前景，因此，NH3的高效分离回收成为了环境保护和资源利用的迫切需要。
目前工业上NH3回收方法主要是溶剂吸收法，以水洗法和酸洗法应用最为广泛。水洗法存在水耗大、NH3回收能耗高、产生大量氨氮废水等问题；而酸洗法中酸溶液与NH3有强烈化学反应，导致吸收过程不可逆，NH3资源无法回收利用。离子液体作为一类新型溶剂，具有结构性质可调、极低蒸汽压等特点，故其在氨气分离回收应用具备中亲和性好、选择性高、再生能耗低等优势，为氨高效绿色分离回收技术提供了新机遇。现用于NH3吸收分离的离子液体主要包括常规离子液体、羟基离子液体、质子型离子液体、金属离子液体等。其中报道的质子型离子液体有：尚等(Green Chem.,2017,19:937)设计合成的咪唑类质子型离子液体([Bim][NTf2])，在40℃和0.10MPa下对NH3摩尔吸收量为2.69mol NH3/mol IL；李等(Sep.Purif.Technol,2020,248:117087)报道吡啶类和哌啶类质子型离子液体，在40℃和0.10MPa下吡啶类质子型离子液体[2-mPy][NTf2]最高摩尔吸收量为3.078mol NH3/mol IL。虽然质子型离子液体表现较高的氨吸收量，但目前报道的均为具有单一酸性质子氢或羟基作用位点的质子型离子液体，为了进一步提高氨的吸收性能，本发明提出了在阳离子上同时引入两个及以上的质子氢和羟基强氢键供体的位点，通过质子氢和羟基分别与氨分子间的多重氢键耦合作用，实现对氨气的高效吸收和可逆分离。
发明内容
本发明的目的在于提供具有强氢键供体的质子型离子液体高效吸收氨气的方法。
一种具有强氢键供体的质子型离子液体高效吸收氨气的方法，其特征在于所述的质子型离子液体阳离子上同时具有两个或多个酸性质子氢和羟基的强氢键供体基团，通过质子氢和羟基与氨气分子间的多位点氢键耦合作用，实现对氨气高效可逆吸收分离，所述的质子型离子液体结构通式如下：
其中阳离子为咪唑类、季铵类和醇胺类，阳离子上R1为CmH2mSO3H(m为整数，0≤m≤4)；R2或R3为CnH2nOH(n为整数，0≤n≤4)；R4为CkH2k(k为整数，0≤k≤4)；所述质子型离子液体的阴离子X为Cl-，NO3 -，HSO4 -，H2PO4 -，R5COO-(R5为CcH2c+1，c为整数，0≤c≤4)。
本发明所述的质子型离子液体用于NH3吸收的温度：5～100℃；吸收压力：1kPa～10MPa。
本发明所述的质子型离子液体可通过加热或减压方式进行吸收剂再生，再生条件：50～200℃，0.1kPa～1.0MPa，再生后溶剂可循环使用。
本发明所述的质子型离子液体适用于合成氨驰放气、尿素造粒塔的排放尾气、焦炉煤气、硝酸装置尾气、钼酸铵尾气等不同浓度的NH3分离回收。
与现在技术相比，本发明所涉及的质子型离子液体含有两个或多个能与氨分子形成氢键的质子氢和羟基的作用位点，实现对氨的高容量吸收，采用加热或减压方式可将NH3完全解吸出来，再生后吸收剂可循环使用且吸收性能保持稳定。该方法具有NH3吸收量高、易于解吸、可循环利用等优点，是一种具有工业应用前景的氨分离回收吸收剂。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作更为详细的描述，但本发明并不限于以下实施例，在不脱离前后所述的范围内，变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
在内径为2.00cm的自制吸收瓶中，加入3.00g所合成的离子液体[Mim][TfO]然后通入NH3，显示气体流量为140ml/min(实际气流量为100ml/min)，温度为40℃，压力为0.10MPa，间隔一定时间称取吸收瓶重量直至质量不再变化，约60min吸收达到平衡。计算得到该离子液体对NH3吸收量为2.23mol NH3/mol IL。
实施例2
在内径为2.00cm的自制吸收瓶中，加入3.01g所合成的离子液体[BimSO3H][TfO]，然后通入NH3，显示气体流量为140ml/min，温度为40℃，压力为0.10MPa，间隔一定时间称取吸收瓶重量直至质量不再变化，约240min吸收达到平衡。计算得到该离子液体对NH3吸收量为3.30mol NH3/mol IL。
实施例3
在内径为2.00cm的自制吸收瓶中，加入3.00g所合成的离子液体[DEAC4SO3H][TfO]，然后通入NH3，显示气体流量为140ml/min，温度为40℃，压力为0.10MPa，间隔一定时间称取吸收瓶重量直至质量不再变化，约60min吸收达到平衡。计算得到该离子液体对NH3吸收量为3.32mol NH3/mol IL。
实施例4
在内径为2.00cm的自制吸收瓶中，加入3.00g所合成的离子液体[EDTEH2][TfO]2，然后通入NH3，显示气体流量为140ml/min，温度为40℃，压力为0.10MPa，间隔一定时间称取吸收瓶重量直至质量不再变化，约60min吸收达到平衡。计算得到该离子液体对NH3吸收量为4.86mol NH3/mol IL。
实施例5
在内径为2.00cm的自制吸收瓶中，加入3.00g所合成的离子液体[EDTEH2][TfO]2，然后通入NH3，显示气体流量为140ml/min，温度为40℃，压力为0.10MPa，间隔一定时间称取吸收瓶重量直至质量不再变化，约60min吸收达到平衡。计算得到该质子型离子液体对NH3吸收量为4.86mol NH3/mol IL。吸收完毕后，通入N2，流量为100ml/min，解吸温度为80℃，解吸约60min后该溶剂吸收的NH3基本完全释放出来。按照上述步骤，循环吸收-解吸5次，该溶剂对NH3吸收性能保持稳定，具体结果如表1所示。
表1质子型离子液体五次循环吸收-解吸NH3的实验结果
Claims (4)
1.一种具有强氢键供体的质子型离子液体高效吸收氨气的方法，其特征在于所述的质子型离子液体阳离子上同时具有两个或多个酸性质子氢和羟基的强氢键供体的基团，通过质子氢和羟基与氨气分子间的多位点氢键耦合作用，实现对氨气高效可逆吸收分离，所述的质子型离子液体结构通式如下：
其中阳离子为咪唑类、季铵类和醇胺类，阳离子上R1为CmH2mSO3H(m为整数，0≤m≤4)；R2或R3为CnH2nOH(n为整数，0≤n≤4)；R4为CkH2k(k为整数，0≤k≤4)；所述质子型离子液体的阴离子X为Cl-，NO3 -，HSO4 -，H2PO4 -，R5COO-(R5为CcH2c+1，c为整数，0≤c≤4)。
2.根据权利要求1所述的方法，所述的质子型离子液体用于NH3吸收的温度：5～100℃；吸收压力：1kPa～10MPa。
3.根据权利要求1所述的方法，可通过加热或减压方式进行吸收剂再生，再生条件：50～200℃，0.1kPa～1.0MPa，再生后溶剂可循环使用。
4.根据权利要求1所述的方法，所述的质子型离子液体适用于合成氨驰放气、尿素造粒塔的排放尾气、焦炉煤气、硝酸装置尾气、钼酸铵尾气等不同浓度的NH3分离回收。
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