WO2023090143A1 - イオン液体やイオン液体原料を製造する方法、またその製造する装置 - Google Patents
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- B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
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- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
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- C25B9/21—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms two or more diaphragms
Definitions
- the present invention relates to a method for producing an ionic liquid and an ionic liquid raw material.
- the present invention also relates to an apparatus for producing an ionic liquid and an ionic liquid raw material.
- Ionic liquids which consist of a combination of cations and anions and are liquid even at room temperature, are said to be the third solvent after water and organic solvents. Ionic liquids have a vapor pressure of almost zero, flame retardancy, low viscosity, and high electrical conductivity. Ionic liquids are being applied to chemical reactions and separations, heat transfer mediums, and internal liquids in batteries.
- Known methods for producing ionic liquids include an ion exchange method, a neutralization method, and a method using an acid ester or an acid-base neutralization medium (Non-Patent Document 1).
- the ionic liquid described in Non-Patent Document 2 is known.
- Patent Document 1 discloses a method for producing an ionic liquid, wherein an acyl group containing a functional group R1 which is any one of a linear, branched and optionally substituted aromatic ring having 2 or more carbon atoms and an amine to which a plurality of optionally branched alkyl groups having 2 to 8 carbon atoms are bonded (provided that triisoamylamine when R1 is an aromatic ring), and 3 carbon atoms
- Ionic liquid comprising a reaction step of reacting the following perfluoroalkylsulfonimide compound having a fluoroalkyl group in an organic solvent, and a recovery step of removing the organic solvent and adding water to recover the liberated oily substance is disclosed.
- Patent Document 2 describes an ionic liquid characterized by undergoing a reaction between a compound composed of a cation component having imidazole as a main skeleton and a halogen anion component, and an aqueous hexafluorophosphoric acid solution or an aqueous tetrafluoroboric acid solution. is disclosed.
- Patent Document 3 has a step of causing a sol-gel reaction of a quaternary ammonium salt-containing organotrialkoxysilane using an aqueous trifluoromethanesulfonimide solution as a catalyst, thereby obtaining an ionic liquid having a specific structure.
- a method for producing a liquid is disclosed.
- Patent Document 4 describes an addition reaction step of adding an alkylene oxide to an amine in an aqueous solvent to obtain an onium ion of a quaternary amine having a hydroxide ion as a counter anion, and a reaction after the addition reaction step.
- a method for producing a hydrophilic ionic liquid comprising a neutralization step of neutralizing a liquid with an acid, and a removal step of removing water generated as a by-product after the neutralization step and the water solvent. is disclosed.
- ionic liquids differ depending on the combination of cations and anions, and there are countless combinations.
- anions such as OH - and Cl -
- cations such as H + and Ag +
- Two source materials eg, C + Cl - and Ag + A -
- Conventional methods and Patent Documents 1 to 4 have been proposed, but in order to obtain high-purity products, by-products (AgCl, H 2 O, etc.) must be removed.
- ionic liquids can have various physical properties depending on their combinations, a new production method is also desired.
- the present invention provides a method and an apparatus for producing various combinations of ionic liquids and ionic liquid raw materials by removing and introducing ions using an electric field and membrane permeation.
- the present invention relates to the following inventions.
- the anode electrode part is in contact with the first ion-exchange membrane part, and the first space containing the first liquid is in contact with the first ion-exchange membrane part and the second ion-exchange membrane part.
- a second space for containing a second liquid, a third space for containing a third liquid in contact with the second ion exchange membrane portion and the cathode electrode portion, and the first A method for producing an ionic liquid or an ionic liquid raw material using a reactor in which the space, the second space, and the third space are stacked in this order.
- Both the membranes of the first ion-exchange membrane part and the second ion-exchange membrane part are anion exchange membranes, and the first liquid in the first space is a recovery liquid containing water.
- the second liquid in the second space is a cation source
- the third liquid in the third space is an anion source or a supply liquid containing water
- the first ion exchange membrane Anions (anions) of the cation source are transferred to the first space through the section
- anions (anions) of the anion source or the supply liquid are transferred through the second ion exchange membrane section.
- a method for producing a liquid or an ionic liquid raw material containing cations (positive ions) of the cation source and hydroxide ions of the supply liquid as constituent ions By moving hydroxide ions to the second space, ions having cations (positive ions) of the cation source and anions (negative ions) of the anion source in the second space.
- the membranes of the first ion-exchange membrane part and the second ion-exchange membrane part are both cation exchange membranes, and the first liquid in the first space is a cation source or a supply containing water the second liquid in the second space is an anion source; the third liquid in the third space is a recovery liquid containing water; and the first ion-exchange membrane
- the cations (positive ions) of the cation source or the hydrogen ions of the supply liquid are transferred to the second space through the second ion exchange membrane portion, and the cations (positive ions) of the anion source are transferred through the second ion exchange membrane portion.
- a method of producing an ionic liquid raw material having constituent ions of the hydrogen ions of the liquid for supply and the anions (negative ions) of the anion source is a method of producing an ionic liquid raw material having constituent ions of the hydrogen ions of the liquid for supply and the anions (negative ions) of the anion source.
- ⁇ C1> A supply line that supplies a first liquid to the first space, a recovery line that recovers the liquid in the first space after the reaction, and a second liquid that is supplied to the second space. a supply line for recovering the liquid in the second space after the reaction; a supply line for supplying the third liquid to the third space; and recovering the liquid in the third space after the reaction. and a recovery line, wherein the reactor is used to continuously produce the ionic liquid or the raw material for the ionic liquid.
- ⁇ C2> The above-described method of changing the composition of the ionic liquid or the ionic liquid raw material by switching the liquid supplied through the supply line using a switching means.
- ⁇ C3> The above method, wherein the recovery liquid is pure water.
- the cation source consists of 2HEA (2-hydroxyethylammonium) + ions, BMIM (1-butyl-3-methylimidazolium) + ions, and BMPyr (1-butyl-1-methylpyrrolidinium) + ions.
- the anion source is a liquid containing any anion selected from the group consisting of NO 3 ⁇ ions, HCOO ⁇ ions, CH 3 COO ⁇ ions, BF 4 ⁇ ions, and PF 6 ⁇ ions. the method described above.
- ⁇ D1> Producing an ionic liquid, comprising a step of reacting the ionic liquid raw material produced by the above method with an acid, or exchanging the hydroxide ions with anions of an anion source to obtain an ionic liquid.
- Method. ⁇ D2> A method for producing an ionic liquid, comprising a step of reacting the ionic liquid raw material produced by the above method with an alkali, or exchanging the hydrogen ions with cations of a cation source to obtain an ionic liquid.
- the anode electrode portion is in contact with the first ion-exchange membrane portion, and is in contact with the first space containing the first liquid, the first ion-exchange membrane portion, and the second ion-exchange membrane portion. , a second space for containing a second liquid, a third space for containing a third liquid in contact with the second ion exchange membrane portion and the cathode electrode portion, and the first Having a reactor in which a space, the second space, and the third space are stacked in this order, and wherein the ion-exchange membrane part uses either a cation-exchange membrane or an anion-exchange membrane.
- An apparatus for producing an ionic liquid or an ionic liquid raw material is in contact with the first ion-exchange membrane portion, and is in contact with the first space containing the first liquid, the first ion-exchange membrane portion, and the second ion-exchange membrane portion.
- a supply line that supplies a first liquid to the first space, a recovery line that recovers the liquid in the first space after the reaction, and a second liquid that is supplied to the second space.
- a supply line for recovering the liquid in the second space after the reaction a supply line for supplying the third liquid to the third space; and recovering the liquid in the third space after the reaction.
- a recovery line for continuously producing an ionic liquid or an ionic liquid raw material using the reactor.
- various combinations of ionic liquids and raw materials for ionic liquids can be produced by removing and introducing ions using an electric field and membrane permeation.
- FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of the present invention
- FIG. It is a schematic diagram concerning the first manufacturing method of the present invention. It is another schematic diagram concerning the 1st manufacturing method of this invention. It is a schematic diagram concerning the second manufacturing method of the present invention. It is another schematic diagram concerning the second manufacturing method of the present invention. It is an image according to a manufacturing example of the reactor of the manufacturing apparatus of the present invention. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph concerning an example. It is a graph
- the manufacturing method of the present invention and the manufacturing apparatus of the present invention include an anode electrode portion, a first space in contact with the first ion exchange membrane portion and containing a first liquid, and a first ion exchange membrane portion. , a second space that is in contact with the second ion-exchange membrane portion and stores the second liquid; and a third space that is in contact with the second ion-exchange membrane portion and the cathode electrode portion and stores the third liquid. and in which the first space, the second space, and the third space are stacked in this order.
- This reactor may be hereinafter referred to as the "reactor used in the present invention".
- the first production method of the present invention uses the reactor used in the present invention, and the membranes of the first ion-exchange membrane part and the second ion-exchange membrane part are both anion-exchange membranes.
- the first liquid in the first space is a recovery liquid containing water.
- a second liquid in the second space is a cation source.
- the third liquid in the third space is an anion source or feed liquid comprising water. Then, the anions of the cation source are moved to the first space through the first ion exchange membrane portion.
- the second production method of the present invention uses the reactor used in the present invention, and the membranes of the first ion-exchange membrane part and the second ion-exchange membrane part are both cation exchange membranes.
- the first liquid in the first space is a cation source or a feed liquid containing water.
- a second liquid in the second space is an anion source.
- a third liquid in the third space is a recovery liquid containing water. Then, the cations of the cation source or the hydrogen ions of the supply liquid are transferred to the second space through the first ion exchange membrane portion.
- the production apparatus of the present invention comprises a first space that is in contact with an anode electrode section, a first ion exchange membrane section and that accommodates a first liquid, a first ion exchange membrane section, and a second ion exchange membrane.
- a space, a second space, and a third space are stacked in this order, and the ion-exchange membrane part is either a cation-exchange membrane or an anion-exchange membrane.
- the production apparatus of the present invention further includes a supply line for supplying the first liquid to the first space, a recovery line for recovering the liquid in the first space after the reaction, and a second A supply line that supplies the liquid of, a recovery line that recovers the liquid in the second space after the reaction, a supply line that supplies the third liquid to the third space, and the third space after the reaction and a recovery line for recovering the liquid, and the reactor used in the present invention can be used to continuously produce the ionic liquid and the raw material for the ionic liquid.
- the manufacturing apparatus of the present invention can perform the first manufacturing method of the present invention and the second manufacturing method of the present invention.
- the configurations corresponding to each in the present application can be used interchangeably.
- the present invention provides methods for synthesizing various combinations of ionic liquids and raw materials for ionic liquids by removing and introducing ions using electric fields and membrane permeation.
- the present invention can supply, with high purity, ionic liquids and ionic liquid raw materials to which distillation, which is a conventional solvent refining method, cannot be applied due to their low volatility.
- a dissolved ion extraction device using an electric field and membrane permeation, pretreated samples for dissolved ion analysis, separation by oxidation number, separation, purification, and drug use of radioactive isotope metals. It has been developed into synthesis and in-line concentration of trace components in ultrapure water.
- a dissolved ion extraction device is an in-line device that extracts or introduces ions in a solution stream and is free from contamination from the surrounding environment.
- the anions contained in the raw material solution flowing at a constant flow rate are removed by the electric field and membrane permeation, and at the same time, ion substitution that introduces the desired anions achieves the synthesis of a high-purity ionic liquid (for example, Fig. 2).
- synthesis by substitution of cations or anions, or a method of simultaneously introducing cations and anions is also possible.
- mixed ionic liquids with several different anions in one cation which has been studied in recent years, can be synthesized at any ratio by controlling the amount of introduction by the current value.
- the purity of the ionic liquid obtained in the present invention can achieve 98% or more.
- the impurities are volatile acids such as Cl ⁇ and F ⁇ , evaporating water can simultaneously remove these impurities and further improve the purity.
- the present invention in which ionic liquids are synthesized by efficiently replacing ions in a solution flow, is also useful as a method for supplying highly pure ionic liquids.
- ionic liquids are produced by mixing acid and base of constituent ions, or by mixing halide salts and silver salts, to form removable water or silver halide precipitates generated by counter ions in the ionic liquid and raw materials. This has been done by removing In these techniques, it is necessary to prepare a raw material, but, for example, OH - type substances of amine compounds used as cations are often unstable.
- the desired ionic liquid is synthesized by replacing ions by an electric field and membrane permeation.
- the anions of the raw material are removed and the target anions are introduced at the same time, the production of by-products can be suppressed. Therefore, it is easy to purify, and can be purified only by removing water.
- the present invention can also be used to have the following advantages.
- the desired source of cations can be kept as a highly pure material in combination with stable anions. Wider choice of raw materials.
- chloride salts are easy to obtain, but by removing water after synthesis, the trace amount of chloride ions can be removed as hydrogen chloride, so that the purity can be further improved.
- a necessary amount of unstable ionic liquids necessary for obtaining knowledge for estimating the chemical and physical properties of ionic liquids can be prepared on demand.
- FIG. 1 is a schematic diagram of the manufacturing apparatus of the present invention.
- a manufacturing apparatus 10 has a reactor 1 .
- the reactor 1 has a first space 21, a second space 22, and a third space 23 stacked in this order.
- the first space 21 has an anode electrode part 31 and a first ion-exchange membrane part 32 on a part of the surface defining the first space 21, and accommodates the first liquid.
- the second space 22 has a first ion-exchange membrane portion 32 and a second ion-exchange membrane portion 33 on part of the surface that partitions the second space 22, and accommodates the second liquid. .
- the third space 23 has a second ion exchange membrane portion 33 and a cathode electrode portion 34 on a portion of the surface defining the third space 23, and accommodates the third liquid.
- the manufacturing apparatus 10 also has supply lines 411 to 431 and recovery lines 511 to 531 .
- FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of the present invention.
- an ionic liquid is produced using an anion exchange membrane (AEM).
- AEM anion exchange membrane
- two anion exchange membranes are arranged between the anode and the cathode arranged in the container. Different liquids are supplied to the three compartments thus constituted.
- Ultrapure water (UPW) is placed between the anode electrode and the anion exchange membrane.
- a cation source is arranged between the two anion exchange membranes.
- An anion source is placed between the anion exchange membrane and the cathode electrode.
- highly pure ionic liquids (Highly pure ILs) are produced.
- a cation source selected by a cation selector may be supplied, and an anion source selected by an anion selector may be supplied.
- FIG. 3 is a schematic diagram relating to the first manufacturing method of the present invention.
- each configuration conforms to the manufacturing apparatus 10 shown in FIG. In this production, the main configurations are as follows.
- Ion exchange membrane Anion exchange membrane (AEM)
- First liquid Recovery liquid containing water (H + , OH ⁇ )
- Second liquid cation source (C + , X - )
- Third liquid anion source (Y + , A ⁇ )
- the anions (X ⁇ ) of the cation source move to the first space through the first ion exchange membrane part, which is an anion exchange membrane.
- the anions (A ⁇ ) of the anion source move to the second space via the second ion exchange membrane portion, which is an anion exchange membrane.
- the second space is in a state where the cation source cations (C + ) and the anion source anions (A ⁇ ) are present.
- the ionic liquid (C + A ⁇ ) can be produced by recovering the substance after this movement.
- this first production method in which both are anion-exchange membranes is preferable to the second production method described later. Sometimes.
- FIG. 4 is a schematic diagram of another embodiment according to the first manufacturing method of the present invention.
- each configuration conforms to the manufacturing apparatus 10 shown in FIG. In this production, the main configurations are as follows.
- Ion exchange membrane Anion exchange membrane (AEM)
- First liquid Recovery liquid containing water (H + , OH ⁇ )
- Second liquid cation source (C + , X - )
- Third Liquid Feeding liquid containing water (H + , OH ⁇ )
- the anions (X ⁇ ) of the cation source move to the first space through the first ion exchange membrane part, which is an anion exchange membrane.
- hydroxide ions (OH ⁇ ) of water move to the second space via the second ion exchange membrane portion, which is an anion exchange membrane.
- cations (C + ) of the cation source and hydroxide ions (OH ⁇ ) are present in the second space.
- FIG. 5 is a schematic diagram of the second manufacturing method of the present invention.
- each configuration conforms to the manufacturing apparatus 10 shown in FIG. In this production, the main configurations are as follows.
- Ion exchange membrane cation exchange membrane (CEM)
- First liquid cation source (C + , X - )
- Second liquid anion source (Y + , A ⁇ )
- Third liquid Recovery liquid containing water (H + , OH ⁇ )
- the cations (C + ) of the cation source move to the second space through the first ion exchange membrane part, which is a cation exchange membrane.
- the cations (Y + ) of the anion source move to the third space via the second anion exchange membrane portion, which is a cation exchange membrane.
- the second space is in a state where the cation source cations (C + ) and the anion source anions (A ⁇ ) are present.
- the ionic liquid (C + A ⁇ ) is produced by collecting the substance after this movement.
- FIG. 6 is a schematic diagram relating to the second manufacturing method of the present invention.
- Ion exchange membrane cation exchange membrane (CEM)
- First Liquid Feeding liquid containing water (H + , OH ⁇ )
- Second liquid anion source (Y + , A ⁇ )
- Third liquid Recovery liquid containing water (H + , OH ⁇ )
- the hydrogen ions (H + ) of the feed liquid move to the second space via the first ion exchange membrane portion, which is a cation exchange membrane.
- the cations (Y + ) of the anion source move to the third space via the second anion exchange membrane portion, which is a cation exchange membrane.
- hydrogen ions (H + ) and negative ions (A ⁇ ) of the anion source exist in the second space.
- the ionic liquid raw material (H + A ⁇ ) is manufactured by recovering the material after the transfer.
- the reactor 1 serves as a place for moving ions when producing an ionic liquid using a cation source, an anion source, recovery liquid, and supply liquid as raw materials. This reactor accommodates each liquid and makes it flow appropriately.
- the reactor 1 has layers stacked in order of a first space 21 , a second space 22 and a third space 23 .
- the reactor 1 may further have other spaces such as spaces for flowing other liquids and gases, and spaces for protecting each layer.
- the first space 21 is in contact with the anode electrode portion 31 and the first ion exchange membrane portion 32 and accommodates the first liquid.
- the first liquid is the liquid contained in the first space 21 .
- the first liquid contains recovery liquid (H + , OH ⁇ ) containing water when the anion exchange membrane of the first embodiment (FIG. 3) is used.
- the second space 22 is in contact with the first ion exchange membrane portion 32 and the second ion exchange membrane portion 33 and accommodates the second liquid.
- the second liquid is the liquid contained in the second space 22 .
- the second liquid contains cation sources (C + , X ⁇ ) when using the anion exchange membrane of the first embodiment (FIG. 3). Also, when the cation exchange membrane of the second embodiment (FIG. 5) is used, an anion source (Y + , A ⁇ ) is accommodated.
- the third space 23 is in contact with the second ion exchange membrane portion 33 and the cathode electrode portion 34 and accommodates the third liquid.
- the third liquid is the liquid contained in the third space 23 .
- the third liquid is an anion source (Y + , A ⁇ ) in the first embodiment (FIG. 3), or another example of the first embodiment (FIG. 4) contains water-containing feed liquids (H + , OH ⁇ ).
- a recovery liquid H + , OH ⁇
- the first space 21 to third space 23 are partitioned by the container 30, the anode electrode section 31, the first ion exchange membrane section 32, the second ion exchange membrane section 33, and the cathode electrode section .
- An electric field is generated by passing an electric current between the anode electrode part 31 and the cathode electrode part 34, and ions are moved from the liquid accommodated in each space through the ion exchange membrane. Then, in the second space 22, an ionic liquid or an ionic liquid raw material is produced and recovered.
- each space is not particularly limited as long as it can accommodate a suitable amount of liquid for this purpose and each ion can move sufficiently. If each space is too thick, it may be difficult to apply a sufficient electric field, or it may be necessary to increase the voltage or the like to generate the electric field. In addition, it may be difficult to adjust the purity of the ionic liquid due to the difference in the degree of ion migration depending on the distance from the ion exchange membrane.
- the thickness of each space can be appropriately set according to the migration time according to the combination of cation sources, anion sources, ion exchange membranes, etc.
- the thickness of each space is suitable because the smaller the distance, the lower the voltage for the required current.
- the thickness can be, for example, 10 mm or less, 5 mm or less, or 2 mm or less. Note that this thickness is the distance between the anode electrode portion 31 and the first ion exchange membrane portion 32 in the first space 21 .
- the second space 22 it is the distance between the first ion exchange membrane portion 32 and the second ion exchange membrane portion 33 .
- the third space 23 it is the distance between the second ion exchange membrane portion 33 and the cathode electrode portion 34 .
- the anode electrode portion 31 is a portion that functions as an anode electrode.
- the anode electrode part 31 may be a metal member or the like attached to the inner surface of the container 30 and used as the anode electrode itself.
- a protective member may be provided to maintain the function as
- the cathode electrode portion 34 is a portion that functions as a cathode electrode.
- the cathode electrode part 34 may be a metal member or the like attached to the inner surface of the container 30 and used as the cathode electrode itself.
- a protective member may be provided to maintain the function as
- the anode electrode part 31 and the cathode electrode part 34 are connected to electric wires or power sources so that an electric field is generated between the electrodes.
- the anode electrode part 31 and the cathode electrode part 34 can be connected to an electric wire and a power supply by attaching electrode members to the facing surfaces of the rectangular container 30, for example.
- the amount of ion substitution can be controlled by current, for example.
- the voltage for applying a constant current is determined by the easiness of movement of ions and the thickness of each space.
- the current value can be appropriately set in consideration of the flow rate of each solution, production amount, reaction time, ion concentration, and the like.
- Reactor 1 is preferably thin, as partially described above. Also, the current can be about 5 mA to 10 A, 10 mA to 1 A, or 20 mA to 0.5 A.
- the ion exchange membrane parts 32 and 33 are parts in which membranes are arranged for ion exchange between the cation source, the anion source, and the recovery liquid, which are arranged in the respective spaces.
- the ion-exchange membranes 32 and 33 have the same polarity, such as cation-exchange membranes or anion-exchange membranes. As a result, each ion is replaced to produce an ionic liquid.
- the ion-exchange membrane of the ion-exchange membrane part preferably has a moderate exchange capacity and high ion permeability.
- the same ion exchange membranes may be used for both the ion exchange membranes 32 and 33, or different membranes may be used according to the type and size of ions to be transferred through the respective ion exchange membranes. good too.
- a cation exchange membrane is a membrane that is selectively permeable to cations.
- the cation exchange membrane can be permeable to cations in the presence of an electric field.
- the cation exchange membrane is selected and used in consideration of the resistance to the liquid accommodated in each space, the permeability, and the like.
- a base material such as styrene-divinylbenzene or polytetrafluoroethylene such as Teflon (registered trademark) into which a negatively charged group such as a sulfo group or a carboxyl group is introduced is used.
- a base material such as styrene-divinylbenzene or polytetrafluoroethylene such as Teflon (registered trademark) into which a negatively charged group such as a sulfo group or a carboxyl group is introduced is used.
- Teflon registered trademark
- AGC Engineering Selemion registered trademark
- a thin material having a thickness of 120 ⁇ m or less so that ions can easily pass through.
- Anion exchange membranes are membranes that are selectively permeable to anions.
- the anion exchange membrane can be permeable to anions in the presence of an electric field.
- the anion exchange membrane is selected and used in consideration of the resistance to the liquid accommodated in each space, the permeability, and the like.
- Anion exchange membranes are obtained by introducing positively charged groups such as amino groups, trimethylamino groups and vinylpyridine groups into a base material such as styrene-divinylbenzene.
- AGC Engineering Selemion (registered trademark) DSVN, AMVN, AAV, ASVN, AHO, etc. can be used.
- the container 30 attaches each part of the reactor 1, and becomes a part which comprises each space.
- the container 30 may contain the liquid, prevent leakage, have resistance to the liquid, and hardly cause an unintended reaction with the liquid. It is preferable that the container 30 has a high insulating property so as to easily control the current between the anode electrode part 31 and the cathode electrode part 34 .
- resin or pottery can be used.
- Polypropylene, polystyrene, or the like can be used as the resin.
- the recovery liquid is a liquid for recovering ions that become unnecessary due to ion exchange within the reactor 1 .
- the recovery liquid is the liquid contained in the first space 21 or the third space 23, depending on the embodiment.
- the recovery liquid may contain water, and the ions are recovered in this water.
- the recovery liquid is preferably pure water, which prevents other reactions, ion exchange, and the like, and is easy to handle. Note that the recovery liquid contains water (H 2 O), and ions that contribute to electrolysis, ion exchange, etc., may be described as H + and OH ⁇ in the drawings.
- a cation source is a supply source that supplies cations of an ionic liquid. Also, the cation source is liquid. When the cation source has fluidity by itself, it may be used as a pure substance or as an aqueous solution as appropriate. As for the cation source, the cation in the ionic liquid may be described as "C + ", and an anion substance such as chloride ion or hydroxide ion as a raw material in the cation source may be described as "X - ".
- the cation (C + ) of the cation source includes, for example, cations such as imidazolium salts, pyrrolidinium salts, pyridinium salts, piperidinium salts, ammonium salts, and phosphonium salts.
- the cation source is, for example, from the group consisting of 2HEA (2-hydroxyethylammonium) + ions, BMIM (1-butyl-3-methylimidazolium) + ions, and BMPyr (1-butyl-1 methylpyrrolidinium) + ions. It can be a liquid containing any selected cation.
- An anion source is a supply source that supplies anions of an ionic liquid. Also, the anion source is liquid. When the source has fluidity by itself, it may be used as a pure substance or, if appropriate, as an aqueous solution.
- the anion source the anion in the ionic liquid may be described as "A ⁇ ", and the cationic substance such as hydrogen ion or metal ion as the raw material in the anion source may be described as "Y + ".
- the anion source (A ⁇ ) is selected, for example, from the group consisting of Cl ⁇ , Br ⁇ , I ⁇ , NO 3 ⁇ ions, HCOO ⁇ ions, CH 3 COO ⁇ ions, BF 4 ⁇ ions, and PF 6 ⁇ ions. It can be a liquid containing any anion.
- the supply liquid is a liquid for supplying hydrogen ions or hydroxide ions during ion exchange within the reactor 1 .
- the feed liquid is the liquid contained in the first space 21 or the third space 23, depending on the embodiment.
- the supply liquid may contain water, and the ions in this water are supplied.
- the supply liquid is preferably pure water, which prevents other reactions, ion exchange, and the like, and is easy to handle. Note that the supply liquid contains water (H 2 O), and H + and OH ⁇ are used as ions contributing to electrolysis, ion exchange, etc. in some cases.
- An ionic liquid is a liquid composed of anion and cation ions.
- the ionic liquid may contain impurities such as those that are inevitably included, those that are difficult to remove, and those that are intentionally mixed, or may consist essentially of the ionic liquid.
- the ionic liquid consists of cations (C + ) of the cation source and anions (A ⁇ ) of the anion source. Examples thereof include those described in Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Patent Documents 1 to 4.
- 1-allyl-3-methylimidazolium as a cation include "1-Allyl-3-methylimidazolium chloride", “1-Allyl-3-methylimidazolium dicyanamide”, “1-Allyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide” and "1-Allyl-3-methylimidazolium iodide”.
- 1-butyl-1-methylpyrrolidinium examples include "1-Butyl-1-methylpyrrolidinium nitrate”, “1-Butyl-1-methylpyrrolidinium formate”, “1-Butyl-1- methylpyrrolidinium acetate", “1-Butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide", “1-Butyl-1-methylpyrrolidinium dicyanamide", "1-Butyl-1-methylpyrrolidinium hexafluorophosphate", "1-Butyl-1-methylpyrrolidinium triflate” and so on.
- 1-butyl-1-methylpiperidinium is used as a cation, such as "1-Butyl-1-methylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide", “1-Butyl-1-methylpiperidinium triflate”, “1- Butyl-1-methylpiperidinium hexafluorophosphate” and the like.
- 1-butyl-2-methylpyridinium is used as a cation, such as "1-Butyl-2-methylpyridinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide”, “1-Butyl-2-methylpyridinium hexafluorophosphate”, “1-Butyl- 2-methylpyridinium tetrafluoroborate” and “1-Butyl-2-methylpyridinium triflate”.
- the ionic liquid source is a liquid composed of cations and hydroxide ions. Alternatively, it is a liquid composed of hydrogen ions and anion ions. By replacing these hydrogen ions with cations or replacing hydroxide ions with anions, these ions become raw materials for obtaining ionic liquids.
- the ionic liquid raw material may contain impurities such as those that are inevitably contained, those that are difficult to remove, and those that are intentionally mixed, or may consist essentially of the ionic liquid.
- An ionic liquid can be obtained by reacting an ionic liquid raw material consisting of cations and hydroxide ions with an acid, or by exchanging hydroxide ions for anions of an anion source.
- An ionic liquid can be obtained by reacting an ionic liquid raw material consisting of hydrogen ions and anion ions with an alkali, or by exchanging the hydrogen ions with cations of a cation source.
- the ionic liquid may be produced by using the ionic liquid raw material as a cation source or an anion source for the reactor used in the present invention.
- the ionic liquid and ionic liquid raw material produced in the second space may be produced so as to become the ionic liquid and ionic liquid raw material as they are, or the solvent and the like used together for flow may be removed as appropriate.
- the production apparatus 10 can be a continuous production apparatus that supplies a liquid to each space and recovers the liquid after ion exchange.
- the residence time and exchange efficiency in each space are designed, and the liquid after the reaction is taken out continuously while supplying a fresh raw material liquid. production is preferred.
- each space is provided with a supply line and a recovery line.
- the first space 21 has openings for a supply port 211 and a recovery port 212 .
- the supply port 211 is provided with a supply line for supplying the first liquid from the container 41 containing the first liquid through the pipe 411 by means of a pump.
- a recovery line for recovering the liquid in the first space after the reaction through the pipe 511 to the container 51 is provided at the recovery port 212 connected to the pipe 511 and the container 51 .
- a container 42 and a pipe 421 are provided on the supply port 221 side as a supply line for supplying the second liquid.
- a container 52 and a pipe 521 are provided on the recovery port 222 side as a recovery line for recovering the liquid in the second space after the reaction.
- a container 43 and a pipe 431 are provided on the supply port 231 side as a supply line for supplying the third liquid.
- the container 53 and the pipe 531 are provided on the side of the recovery port 232 as a recovery line for recovering the liquid in the third space after the reaction.
- the reactor 1 of the production apparatus 10 can be used to continuously produce an ionic liquid or an ionic liquid raw material.
- the controller 7 can control the amount of each liquid supplied to each space of the reactor 1 .
- Input to the controller 7 is the substitution rate of the ionic liquid to be produced, the combination of the anion source and the cation source, and the like. This input information can be confirmed on the display unit as appropriate. It is also possible to input to the controller 7 the contents for switching the liquid being produced, and to switch the cation source and the anion source to which each supply line is connected based on the contents.
- the configuration of the ionic liquid can be changed by switching the liquid supplied through the supply line by the switching means. Thereby, the ionic liquid to be produced can be smoothly changed, and the ionic liquid to be recovered can be a mixed ionic liquid in which a plurality of ionic liquids are mixed.
- the present invention can be related to a method of supplying high-purity ionic liquid on demand, which is currently attracting attention in green chemistry and efficient energy circulation, and is expected to be applied to various industrial fields. .
- it is possible to create combinations of cations and anions with a high degree of freedom, so it is possible to promote research on ionic liquids.
- the production apparatus In the development of products using ionic liquids, it is useful to evaluate various combinations of ionic liquids and select the optimum one. Since the production apparatus according to the present invention can easily realize small-lot production of a wide variety of products, it is also useful as a basic technology in the research and development of ionic liquids. By arranging a plurality of the systems of the present invention as an array in parallel, it is possible to scale up, and an ionic liquid supply apparatus can be constructed that can be applied from research and development to practical scale.
- the present invention divides the channel sandwiched between the anode and the cathode with two anion exchange membranes to form a three-layer structure, and the channel in contact with the anode Ultrapure water is supplied, a desired anion solution is supplied to the channel in contact with the cathode, a desired cation solution is supplied to the intermediate channel, and a direct current electric field is applied between the anode and the cathode to obtain a positive electrode.
- By replacing the anions of the ionic solution with the anions of the anionic solution it can be achieved as a method of obtaining a high-purity ionic liquid from the intermediate channel.
- FIG. 7 is an image according to a manufacturing example of the reactor of the manufacturing apparatus of the present invention.
- This reactor uses a container made of vinyl chloride and having a hollow inside which serves as a flow path.
- the gasket is made by thermally compressing parafilm with a channel pattern cut out on a nylon mesh.
- a cathode electrode platinum mesh
- a platinum mesh serving as an anodic electrode was arranged on the upper inner surface of the container corresponding to the upper part of the image.
- two anion exchange membranes “Selemion (registered trademark) “DSVN”” manufactured by AGC Engineering Co., Ltd. were placed.
- a reactor having the following configurations was produced in order from the top in the container. Structure: anode electrode/first space/first ion exchange membrane/second space/second ion exchange membrane/third space/cathode electrode
- a supply port for supplying different liquids to each space was provided on the left side of the reactor 1, and a recovery port for recovering the liquid that reacted in the reactor 1 was provided on the right side of the reactor 1.
- the first space and the second space are separated by a first ion exchange membrane.
- a second ion exchange membrane separates the second and third spaces. Each space becomes a channel when the liquid is continuously supplied.
- Each space has a width of about 5 mm and a length of about 40 mm on the left and right when the reactor 1 is viewed from above. Moreover, the thickness of each of the upper and lower spaces when the reactor 1 is viewed from the front is about 130 ⁇ m.
- [reagent] (Cation for ionic liquid: used reagent) ⁇ 2HEA + (2-hydroxyethylammonium ion) source: 2-hydroxyethylammonium salt, 2-hydroxyethylamine hydrochloride, 2-HEA + Cl - , TCI, Japan, >98% ⁇ BMIM + (1-Butyl-3-methylimidazolium ion) source: 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, [BMIM] + Cl - , TCI, Japan, >98% or 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [BMIM] + BF4- , TCI, Japan,>98%, or 1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate, [BMIM ] + HSO4- , BLD Pharmatech Ltd., 97% - BMPyr + (1-Butyl-1-methyl
- ⁇ NO 3 -source Sodium nitrate, Sodium nitrate, NaNO 3 , Necalai Tesque>99.% HCOO - Source: Formic Acid, Sodium formate, NaHCO2 , Necalai Tesque, ⁇ 98.0% ⁇ CH 3 COO -source : Acetic acid, Sodium acetate, NaOAc, Necalai Tesque, ⁇ 99.0% BF4 - source : tetrafluoroboric acid, sodium tetrafluoroborate, Na + BF4- , Wako, 98.0% - PF6 - source : hexafluorophosphate, sodium hexafluorophosphate, Na + PF6- , TCI, >98%
- Ultrapure water was used as a recovery liquid.
- Table 1 summarizes the physico-chemical properties of the ionic liquids (ILs) according to the production example according to this embodiment. For each combination, melting point, viscosity, density, electrochemical window, and ion conductivity are physical properties summarized from the literature.
- FIG. 8 is a graph according to the example, showing the results of evaluating the produced ionic liquid by ion chromatography.
- Table 2 shows the ion chromatography column (Column), eluent (Eluent), and flow rate (Flow rate) used for evaluation.
- Shodex registered trademark in the columns of Table 2 is a trademark of Showa Denko K.K.
- FIG. 9 is a graph according to the example, which evaluates the influence of manufacturing conditions. Here, it was produced using BMIM + as the cation and NO 3 ⁇ as the anion.
- the upper part of FIG. 9 shows the production efficiency and pH of the produced ionic liquid when changing the current.
- the lower part of FIG. 9 shows the production efficiency and pH of the produced ionic liquid when changing the flow rate of the cation source (Acceptor) in the second space.
- FIG. 10 is a graph according to the example, which evaluates the influence of manufacturing conditions. Here, it was produced using BMIM + as the cation and NO 3 - as the anion.
- the upper part of FIG. 10 shows the production efficiency and pH of the produced ionic liquid when the flow rate of the anion source (donor) in the third space is changed.
- the lower part of FIG. 10 shows the production efficiency and pH of the produced ionic liquid when the concentration of the anion source (donor) in the third space is changed.
- FIG. 11 is a graph according to the example, showing the configuration of the mixed ionic liquid when the flow rate is changed. This manufacturing condition conforms to the current study in the upper part of FIG. By changing the current, it is possible to adjust the degree of substitution of Cl ⁇ derived from the liquid used as the cation source to NO 3 ⁇ derived from the liquid used as the anion source.
- FIG. 12 is a graph according to an example, showing the production results when studying the synthesis of high-purity ionic liquids.
- FIG. 12 relates to an example of preparation of BMIM + NO 3 - ionic liquid. A BMIM + NO 3 - ionic liquid with a purity of 97.5% was obtained from this test.
- FIG. 13 is a graph according to the example, showing the production results when studying the synthesis of high-purity ionic liquids.
- FIG. 13 relates to an example of production of HEA + NO 3 - ionic liquid. By this test, a HEA + NO 3 - ionic liquid with a purity of 98.8% could be obtained.
- FIG. 14 is a graph according to the example, summarizing the conversion efficiency of the ionic liquid in each combination.
- ionic liquids could be produced with high conversion efficiency.
- the evaluation results shown in these figures are the purity determined from the anion concentration. If the produced ionic liquid solution contains impurities such as hydrogen ions, the counter ions may become the target anions and be contained. Hydrogen ions are also produced by dissociation of water. Therefore, if OH - is removed by an anion exchange membrane and an electric field, it may remain depending on the conditions, and the conversion efficiency may exceed 100%.
- the present invention can be used for the production of ionic liquids and raw materials for ionic liquids, and is industrially useful.
- Reference Signs List 1 reactor 10 manufacturing apparatus 21 first space 22 second space 23 third space 211, 221, 231 supply port 212, 222, 232 recovery port 30 container 31 anode electrode section 32 first ion exchange membrane section 33 Second ion exchange membrane part 34 cathode electrode part 41 to 43, 51 to 54 container 411, 421, 431, 511, 521, 531 pipe 7 controller
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Abstract
電場と膜透過を利用したイオンの除去と導入により、多様な組み合わせのイオン液体やイオン液体原料を製造する装置等を提供する。 陽極電極部（３１）と第一のイオン交換膜部（３２）と接し第一の液を収容する第一の空間（２１）と、第一のイオン交換膜部（３２）と第二のイオン交換膜部（３３）と接し第二の液を収容する第二の空間（２２）と、第二のイオン交換膜部（３３）と陰極電極部（３４）と接し第三の液を収容する第三の空間（２３）とを有し、第一の空間（２１）、第二の空間（２２）、及び第三の空間（２３）の順に積層された反応器（１）を有し、イオン交換膜部（３２、３３）が、いずれも陽イオン交換膜、またはいずれも陰イオン交換膜を用いたものである、イオン液体やイオン液体原料を製造する装置（１０）。
Description
本発明はイオン液体やイオン液体原料を製造する方法に関する。また、イオン液体やイオン液体原料を製造する装置に関する。
陽イオンと陰イオンの組み合わせからなり、常温程度でも液体である「イオン液体」は、水、有機溶媒に続く第３の溶媒といわれている。イオン液体は、蒸気圧がほぼ０で、難燃性、低粘性、高い電導性を併せもつ。イオン液体は、化学反応や分離の場、熱媒体、電池内部液などへの応用が進められ、環境調和型溶媒、電池のようなエネルギーデバイスなど幅広い分野への応用が期待されている。イオン液体の製造方法としては、イオン交換法や中和法、酸性エステルや酸塩基中和媒介による方法などが知られている（非特許文献１）。例えば、非特許文献２のイオン性液体などが知られている。
特許文献１は、イオン液体の製造方法であって、炭素数２以上の直鎖状、分岐鎖状及び置換基を有してもよい芳香環のうちいずれかである官能基Ｒ１を含むアシル基を有する酸ハロゲン化物と、分岐鎖を有してもよい炭素数２以上８以下の複数のアルキル基が結合されたアミン（但し前記Ｒ１が芳香環であるときにはトリイソアミルアミン）と、炭素数３以下のフルオロアルキル基を有するパーフルオロアルキルスルホンイミド化合物とを有機溶媒中で反応させる反応工程と、前記有機溶媒を除去し水を加えて遊離した油状物を回収する回収工程と、を含むイオン液体の製造方法を開示している。
特許文献２は、イミダゾールを主骨格とするカチオン成分とハロゲンアニオン成分から構成される化合物と、六フッ化リン酸水溶液又は四フッ化ホウ酸水溶液との反応を経由することを特徴とするイオン液体の製造方法を開示している。
特許文献３は、トリフルオロメタンスルホンイミド水溶液を触媒として、四級アンモニウム塩含有有機トリアルコキシシランのゾル－ゲル反応を生じさせる工程を有し、特定の構造のイオン液体を得ることを特徴とするイオン液体の製造方法を開示している。
特許文献４は、水溶媒中で、アミンにアルキレンオキシドを付加させることにより、水酸化物イオンを対アニオンとする４級化アミンのオニウムイオンを得る付加反応工程と、該付加反応工程後の反応液を酸により中和する中和工程と、該中和工程後に副生成物として生成する水と、上記水溶媒とを除去する除去工程とを有することを特徴とする親水性イオン液体の製造方法を開示している。
"Ionic liquids synthesis and applications: An overview", S.K. Singh, A.W. Savoy / Journal of Molecular Liquids 297 (2020) 112038
Enabling Technologies イオン性液体 Ionic Liquids, Chem Files Vo.5 No.6，シグマアルドリッチジャパン株式会社，［令和３年１０月２３日検索］（URL:https://www.sigmaaldrich.com/deepweb/assets/sigmaaldrich/marketing/global/documents/237/072/j_cf05-06.pdf）
イオン液体の性質は、陽イオンと陰イオンの組み合わせによって異なり、無数の組み合わせが存在する。しかしながら、現在、イオン液体（Ｃ+Ａ-）の合成には、水や沈殿を生成する陰イオン（ＯＨ-やＣｌ-など）や陽イオン（Ｈ+やＡｇ+など）を対イオンとした２つの原料物質（たとえば、Ｃ+Ｃｌ-とＡｇ+Ａ-）を用意し、反応させる必要がある。従来法や特許文献１～４などが提案されているが、高い純度のものを得るためには、生じた副生成物（ＡｇＣｌやＨ2Ｏなど）を取り除かなければならない。また、イオン液体は、その組み合わせによって、様々な物性のものが得られるため、新たな製造方法も求められている。
かかる状況下、本発明は、電場と膜透過を利用したイオンの除去と導入により、多様な組み合わせのイオン液体や、イオン液体原料を製造する方法や製造する装置を提供する。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。すなわち、本発明は、以下の発明に係るものである。
＜Ａ１＞ 陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、前記第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、前記第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、前記第一の空間、前記第二の空間、及び前記第三の空間の順に積層された反応器を用いるイオン液体やイオン液体原料を製造する方法。
＜Ｂ１＞ 前記＜Ａ１＞記載の反応器を用いる方法であり、
前記第一のイオン交換膜部及び前記第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陰イオン交換膜であり、前記第一の空間の第一の液は、水を含む回収用液であり、前記第二の空間の第二の液は、カチオンソースであり、前記第三の空間の第三の液は、アニオンソース、または水を含む供給用液であり、前記第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースのアニオン（陰イオン）を前記第一の空間に移動させ、前記第二のイオン交換膜部を介して、アニオンソースのアニオン（陰イオン）、または前記供給用液の水酸化物イオンを前記第二の空間に移動させることで、前記第二の空間で、前記カチオンソースのカチオン（陽イオン）と、前記アニオンソースのアニオン（陰イオン）とを構成イオンとするイオン液体、または、前記カチオンソースのカチオン（陽イオン）と前記供給用液の前記水酸化物イオンを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法。
＜Ｂ２＞ 前記＜Ａ１＞記載の反応器を用いる方法であり、
前記第一のイオン交換膜部及び前記第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陽イオン交換膜であり、前記第一の空間の第一の液は、カチオンソース、または水を含む供給用液であり、前記第二の空間の第二の液は、アニオンソースであり、前記第三の空間の第三の液は、水を含む回収用液であり、前記第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースのカチオン（陽イオン）、または前記供給用液の水素イオンを前記第二の空間に移動させ、前記第二のイオン交換膜部を介して、アニオンソースのカチオン（陽イオン）を前記第三の空間に移動させることで、前記第二の空間で、前記カチオンソースのカチオン（陽イオン）と、前記アニオンソースのアニオン（陰イオン）とを構成イオンとするイオン液体、または、前記供給用液の前記水素イオンと、前記アニオンソースのアニオン（陰イオン）とを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法。
前記第一のイオン交換膜部及び前記第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陰イオン交換膜であり、前記第一の空間の第一の液は、水を含む回収用液であり、前記第二の空間の第二の液は、カチオンソースであり、前記第三の空間の第三の液は、アニオンソース、または水を含む供給用液であり、前記第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースのアニオン（陰イオン）を前記第一の空間に移動させ、前記第二のイオン交換膜部を介して、アニオンソースのアニオン（陰イオン）、または前記供給用液の水酸化物イオンを前記第二の空間に移動させることで、前記第二の空間で、前記カチオンソースのカチオン（陽イオン）と、前記アニオンソースのアニオン（陰イオン）とを構成イオンとするイオン液体、または、前記カチオンソースのカチオン（陽イオン）と前記供給用液の前記水酸化物イオンを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法。
＜Ｂ２＞ 前記＜Ａ１＞記載の反応器を用いる方法であり、
前記第一のイオン交換膜部及び前記第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陽イオン交換膜であり、前記第一の空間の第一の液は、カチオンソース、または水を含む供給用液であり、前記第二の空間の第二の液は、アニオンソースであり、前記第三の空間の第三の液は、水を含む回収用液であり、前記第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースのカチオン（陽イオン）、または前記供給用液の水素イオンを前記第二の空間に移動させ、前記第二のイオン交換膜部を介して、アニオンソースのカチオン（陽イオン）を前記第三の空間に移動させることで、前記第二の空間で、前記カチオンソースのカチオン（陽イオン）と、前記アニオンソースのアニオン（陰イオン）とを構成イオンとするイオン液体、または、前記供給用液の前記水素イオンと、前記アニオンソースのアニオン（陰イオン）とを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法。
＜Ｃ１＞ 前記第一の空間に、第一の液を供給する供給ラインと、反応後の第一の空間の液を回収する回収ラインと、前記第二の空間に、第二の液を供給する供給ラインと、反応後の第二の空間の液を回収する回収ラインと、前記第三の空間に、第三の液を供給する供給ラインと、反応後の第三の空間の液を回収する回収ラインと、を有し、前記反応器を用いて、連続的にイオン液体またはイオン液体原料を製造する前記の方法。
＜Ｃ２＞ 前記供給ラインで供給する液を切り替える切替手段により切り替えることで、イオン液体またはイオン液体原料の構成を変更する前記の方法。
＜Ｃ３＞ 前記回収用液が、純水である、前記の方法。
＜Ｃ４＞ 前記カチオンソースが、２ＨＥＡ（２ヒドロキシエチルアンモニウム）+イオン、ＢＭＩＭ（１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム）+イオン、およびＢＭＰｙｒ（１－ブチル－１メチルピロリジニウム）+イオンからなる群から選択されるいずれかのカチオンを含む液である、前記の方法。
＜Ｃ５＞ 前記アニオンソースが、ＮＯ3 -イオン、ＨＣＯＯ-イオン、ＣＨ3ＣＯＯ-イオン、ＢＦ4 -イオン、およびＰＦ6 -イオンからなる群から選択されるいずれかのアニオンを含む液である、前記の方法。
＜Ｃ２＞ 前記供給ラインで供給する液を切り替える切替手段により切り替えることで、イオン液体またはイオン液体原料の構成を変更する前記の方法。
＜Ｃ３＞ 前記回収用液が、純水である、前記の方法。
＜Ｃ４＞ 前記カチオンソースが、２ＨＥＡ（２ヒドロキシエチルアンモニウム）+イオン、ＢＭＩＭ（１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム）+イオン、およびＢＭＰｙｒ（１－ブチル－１メチルピロリジニウム）+イオンからなる群から選択されるいずれかのカチオンを含む液である、前記の方法。
＜Ｃ５＞ 前記アニオンソースが、ＮＯ3 -イオン、ＨＣＯＯ-イオン、ＣＨ3ＣＯＯ-イオン、ＢＦ4 -イオン、およびＰＦ6 -イオンからなる群から選択されるいずれかのアニオンを含む液である、前記の方法。
＜Ｄ１＞ 前記の方法で製造されたイオン液体原料を、酸と反応させる、または、前記水酸化物イオンをアニオンソースのアニオンに交換して、イオン液体を得る工程を有する、イオン液体を製造する方法。
＜Ｄ２＞ 前記の方法で製造されたイオン液体原料を、アルカリと反応させる、または、前記水素イオンをカチオンソースのカチオンに交換して、イオン液体を得る工程を有する、イオン液体を製造する方法。
＜Ｄ２＞ 前記の方法で製造されたイオン液体原料を、アルカリと反応させる、または、前記水素イオンをカチオンソースのカチオンに交換して、イオン液体を得る工程を有する、イオン液体を製造する方法。
＜Ｅ１＞ 陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、前記第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、前記第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、前記第一の空間、前記第二の空間、及び前記第三の空間の順に積層された反応器を有し、前記イオン交換膜部が、いずれも陽イオン交換膜、またはいずれも陰イオン交換膜を用いたものである、イオン液体またはイオン液体原料を製造する装置。
＜Ｅ２＞ 前記第一の空間に、第一の液を供給する供給ラインと、反応後の第一の空間の液を回収する回収ラインと、前記第二の空間に、第二の液を供給する供給ラインと、反応後の第二の空間の液を回収する回収ラインと、前記第三の空間に、第三の液を供給する供給ラインと、反応後の第三の空間の液を回収する回収ラインと、を有し、前記反応器を用いて、連続的にイオン液体またはイオン液体原料を製造する前記の装置。
＜Ｅ２＞ 前記第一の空間に、第一の液を供給する供給ラインと、反応後の第一の空間の液を回収する回収ラインと、前記第二の空間に、第二の液を供給する供給ラインと、反応後の第二の空間の液を回収する回収ラインと、前記第三の空間に、第三の液を供給する供給ラインと、反応後の第三の空間の液を回収する回収ラインと、を有し、前記反応器を用いて、連続的にイオン液体またはイオン液体原料を製造する前記の装置。
本発明の方法や装置によれば、電場と膜透過を利用したイオンの除去と導入により、多様な組み合わせのイオン液体や、イオン液体原料を製造することができる。
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を変更しない限り、以下の内容に限定されない。なお、本明細書において「～」という表現を用いる場合、その前後の数値を含む表現として用いる。
［本発明に用いる反応器］
本発明の製造方法や本発明の製造装置には、陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、第一の空間、第二の空間、及び第三の空間の順に積層された反応器を用いる。この反応器を、以下、「本発明に用いる反応器」と呼ぶ場合がある。
本発明の製造方法や本発明の製造装置には、陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、第一の空間、第二の空間、及び第三の空間の順に積層された反応器を用いる。この反応器を、以下、「本発明に用いる反応器」と呼ぶ場合がある。
［本発明の第一の製造方法］
本発明の第一の製造方法は、本発明に用いる反応器を用いて、第一のイオン交換膜部及び第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陰イオン交換膜である。第一の空間の第一の液は、水を含む回収用液である。第二の空間の第二の液は、カチオンソースである。第三の空間の第三の液は、アニオンソース、または、水を含む供給用液である。そして、第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースの陰イオンを第一の空間に移動させる。また、第二の陰イオン交換膜部を介して、アニオンソースの陰イオン、または、供給用液の水酸化物イオンを第二の空間に移動させることで、第二の空間でカチオンソースの陽イオンと、アニオンソースの陰イオンとを構成イオンとするイオン液体、または、カチオンソースの陽イオンと、供給用液の水酸化物イオンとを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法である。
本発明の第一の製造方法は、本発明に用いる反応器を用いて、第一のイオン交換膜部及び第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陰イオン交換膜である。第一の空間の第一の液は、水を含む回収用液である。第二の空間の第二の液は、カチオンソースである。第三の空間の第三の液は、アニオンソース、または、水を含む供給用液である。そして、第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースの陰イオンを第一の空間に移動させる。また、第二の陰イオン交換膜部を介して、アニオンソースの陰イオン、または、供給用液の水酸化物イオンを第二の空間に移動させることで、第二の空間でカチオンソースの陽イオンと、アニオンソースの陰イオンとを構成イオンとするイオン液体、または、カチオンソースの陽イオンと、供給用液の水酸化物イオンとを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法である。
［本発明の第二の製造方法］
本発明の第二の製造方法は、本発明に用いる反応器を用い、第一のイオン交換膜部及び第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陽イオン交換膜である。第一の空間の第一の液は、カチオンソース、または、水を含む供給用液である。第二の空間の第二の液は、アニオンソースである。第三の空間の第三の液は、水を含む回収用液である。そして、第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースの陽イオン、または、供給用液の水素イオンを第二の空間に移動させる。また、第二の陰イオン交換膜部を介して、アニオンソースの陽イオンを第三の空間に移動させることで、第二の空間で、カチオンソースの陽イオンと、アニオンソースの陰イオンとを構成イオンとするイオン液体、または、供給用液の水素イオンと、アニオンソースの陰イオンとを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法である。
本発明の第二の製造方法は、本発明に用いる反応器を用い、第一のイオン交換膜部及び第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陽イオン交換膜である。第一の空間の第一の液は、カチオンソース、または、水を含む供給用液である。第二の空間の第二の液は、アニオンソースである。第三の空間の第三の液は、水を含む回収用液である。そして、第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースの陽イオン、または、供給用液の水素イオンを第二の空間に移動させる。また、第二の陰イオン交換膜部を介して、アニオンソースの陽イオンを第三の空間に移動させることで、第二の空間で、カチオンソースの陽イオンと、アニオンソースの陰イオンとを構成イオンとするイオン液体、または、供給用液の水素イオンと、アニオンソースの陰イオンとを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法である。
［本発明の製造装置］
本発明の製造装置は、陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、第一の空間、第二の空間、及び第三の空間の順に積層されたものである本発明に用いる反応器を有し、イオン交換膜部が、いずれも陽イオン交換膜、またはいずれも陰イオン交換膜を用いたものである、イオン液体またはイオン液体原料を製造する装置である。
本発明の製造装置は、陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、第一の空間、第二の空間、及び第三の空間の順に積層されたものである本発明に用いる反応器を有し、イオン交換膜部が、いずれも陽イオン交換膜、またはいずれも陰イオン交換膜を用いたものである、イオン液体またはイオン液体原料を製造する装置である。
本発明の製造装置は、さらに、第一の空間に、第一の液を供給する供給ラインと、反応後の第一の空間の液を回収する回収ラインと、第二の空間に、第二の液を供給する供給ラインと、反応後の第二の空間の液を回収する回収ラインと、第三の空間に、第三の液を供給する供給ラインと、反応後の第三の空間の液を回収する回収ラインと、を有し、本発明に用いる反応器を用いて、連続的にイオン液体やイオン液体原料を製造するものとすることができる。
なお、本発明の製造装置により、本発明の第一の製造方法や本発明の第二の製造方法を行うことができる。本願においてそれぞれに対応する構成は相互に利用することができる。
本発明は、電場と膜透過を利用したイオンの除去と導入により、多様な組み合わせのイオン液体やイオン液体原料の合成手法を提供するものである。また、本発明は、揮発性が低いことで従来の溶媒精製法である蒸留を適応できないイオン液体やイオン液体原料を高純度に供給可能である。
本発明者らは、これまでに、電場と膜透過を利用した溶存イオン抽出デバイスを考案し、溶存イオン分析ための試料の前処理、酸化数別分離、放射性同位体金属の分離・精製・薬剤合成、超純水中微量成分のインライン濃縮へと展開してきた。溶存イオン抽出デバイスは、溶液の流れの中でイオンの取り出しや導入を行うインラインデバイスであり、周辺環境からの汚染はない。
本発明では、電場と膜透過により、一定流量で流れる原料溶液に含まれる陰イオンを取り除くと同時に目的とする陰イオンを導入するイオンの置換によって高純度なイオン液体の合成を達成した（例えば図２参照）。
本発明の原理としては、陽イオンまたは陰イオンの置換による合成や、陽イオンと陰イオンを同時に導入する手法も可能である。また、デバイスに溶液を導入する送液系にセレクションバルブを組み込み、陽イオンと陰イオンの組み合わせをコンピューターで自在に制御する合成システムも構築可能である。
さらに、近年、検討が進められている１つの陽イオンに異なるいくつかの陰イオンをもつ混合イオン液体も導入量を電流値で制御することで、任意の割合のものを合成できる。後述する実施例等でも開示するように、本発明で得られたイオン液体の純度は、９８％以上を達成することもできる。
不純物がＣｌ-やＦ-などの揮発性酸である場合には、水を蒸発させることで同時に、これらの不純物を除去でき、より純度を向上させることができる。溶液の流れの中で効率的にイオンを置換してイオン液体を合成する本発明は、高純度なイオン液体の供給方法としても有用である。
従来、イオン液体は、構成するイオンの酸と塩基、あるいは、ハロゲン化物塩と銀塩の混合によりイオン液体と原料物質中の対イオン同士で生成する除去可能な水や銀ハロゲン化物沈殿を生成と除去することにより行われてきた。これらの手法では、原料物質を準備する必要があるが、例えば、陽イオンとして用いられるアミン化合物のＯＨ-型の物質は不安定であることも多い。
また、親水性の高いイオン液体では、生成した銀ハロゲン化物沈殿を完全に除去することが困難なことも知られている。一方、もともと陽イオンになっていない原料物質を４級化して陽イオンとすると同時に陰イオンを組み合わせる方法もあるが、この場合も副生成物や未反応物の除去、精製が課題である。
本発明では、電場と膜透過によるイオンの置換によって目的とするイオン液体を合成する。この方法では、原料物質の陰イオンを取り除くと同時に目的とする陰イオンを導入するため、副生成物を抑制できる。そのため、精製も行いやすく、水の除去だけで精製することなどができる。また、本発明を利用して、以下の利点も有するものとすることができる。
１）目的とする陽イオンのソースを安定な陰イオンと組み合わせた高純度物質としておくことができる。原料物質の選択肢が広がる。
２）安価な塩を陽イオン、陰イオンのソースとすることで、安定性や高度な精製に伴い高価なイオン液体をオンデマンドで高純度に供給できる。特に、塩化物塩は入手が容易であるが、合成後に水を除去することで微量に存在する塩化物イオンを塩化水素として除去できることから、さらなる純度の向上をはかることができる。
３）イオン液体の化学的・物理的性質を推定するための知見を得る上で必要な不安定なイオン液体もオンデマンドで必要量を準備できる。
２）安価な塩を陽イオン、陰イオンのソースとすることで、安定性や高度な精製に伴い高価なイオン液体をオンデマンドで高純度に供給できる。特に、塩化物塩は入手が容易であるが、合成後に水を除去することで微量に存在する塩化物イオンを塩化水素として除去できることから、さらなる純度の向上をはかることができる。
３）イオン液体の化学的・物理的性質を推定するための知見を得る上で必要な不安定なイオン液体もオンデマンドで必要量を準備できる。
［本発明の製造装置］
図１は、本発明の製造装置に係る概要図である。製造装置１０は、反応器１を有する。反応器１は、第一の空間２１、第二の空間２２、及び第三の空間２３の順に積層されたものである。第一の空間２１は、第一の空間２１を区画する面の一部に陽極電極部３１と、第一のイオン交換膜部３２とを有し、第一の液を収容する。第二の空間２２は、第二の空間２２を区画する面の一部に第一のイオン交換膜部３２と、第二のイオン交換膜部３３とを有し、第二の液を収容する。第三の空間２３は、第三の空間２３を区画する面の一部に第二のイオン交換膜部３３と、陰極電極部３４とを有し、第三の液を収容する。また、製造装置１０は、供給ライン４１１～４３１、回収ライン５１１～５３１を有する。
図１は、本発明の製造装置に係る概要図である。製造装置１０は、反応器１を有する。反応器１は、第一の空間２１、第二の空間２２、及び第三の空間２３の順に積層されたものである。第一の空間２１は、第一の空間２１を区画する面の一部に陽極電極部３１と、第一のイオン交換膜部３２とを有し、第一の液を収容する。第二の空間２２は、第二の空間２２を区画する面の一部に第一のイオン交換膜部３２と、第二のイオン交換膜部３３とを有し、第二の液を収容する。第三の空間２３は、第三の空間２３を区画する面の一部に第二のイオン交換膜部３３と、陰極電極部３４とを有し、第三の液を収容する。また、製造装置１０は、供給ライン４１１～４３１、回収ライン５１１～５３１を有する。
［本発明にかかる原理の概要］
図２は、本発明の原理を説明するための概要図である。この図２では、陰イオン交換膜（ＡＥＭ）を用いてイオン液体を製造するものである。イオン液体の製造にあたって、容器に配置されている陽極電極（Ａｎｏｄｅ）と、陰極電極（Ｃａｔｈｏｄｅ）との間に、陰イオン交換膜を２枚配置する。これにより構成されている３つの区画に、それぞれ異なる液を供給する。陽極電極と陰イオン交換膜との間に、超純水（ＵＰＷ）を配置する。２枚の陰イオン交換膜との間にはカチオンソース（Ｃａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を配置する。陰イオン交換膜と陰極電極との間にはアニオンソース（Ａｎｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を配置する。真ん中の陰イオン交換膜間の層で、高純度なイオン液体（Ｈｉｇｈｌｙ ｐｕｒｅ ＩＬｓ）が製造される。カチオンソースは、カチオン選択部（Ｃａｔｉｏｎ ｓｅｌｅｃｔｏｒ）で選択されたものが供給され、アニオンソースはアニオン選択部（Ａｎｉｏｎ ｓｅｌｅｃｔｏｒ）で選択されたものが供給されるものとすることができる。
図２は、本発明の原理を説明するための概要図である。この図２では、陰イオン交換膜（ＡＥＭ）を用いてイオン液体を製造するものである。イオン液体の製造にあたって、容器に配置されている陽極電極（Ａｎｏｄｅ）と、陰極電極（Ｃａｔｈｏｄｅ）との間に、陰イオン交換膜を２枚配置する。これにより構成されている３つの区画に、それぞれ異なる液を供給する。陽極電極と陰イオン交換膜との間に、超純水（ＵＰＷ）を配置する。２枚の陰イオン交換膜との間にはカチオンソース（Ｃａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を配置する。陰イオン交換膜と陰極電極との間にはアニオンソース（Ａｎｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を配置する。真ん中の陰イオン交換膜間の層で、高純度なイオン液体（Ｈｉｇｈｌｙ ｐｕｒｅ ＩＬｓ）が製造される。カチオンソースは、カチオン選択部（Ｃａｔｉｏｎ ｓｅｌｅｃｔｏｒ）で選択されたものが供給され、アニオンソースはアニオン選択部（Ａｎｉｏｎ ｓｅｌｅｃｔｏｒ）で選択されたものが供給されるものとすることができる。
［本発明の第一の製造方法］
図３は、本発明の第一の製造方法に係る概要図である。この概要図において、各構成は図１に示す製造装置１０に準じるものである。この製造において、主な構成は以下のものである。
イオン交換膜：陰イオン交換膜（ＡＥＭ）
第一の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
第二の液：カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）
第三の液：アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）
図３は、本発明の第一の製造方法に係る概要図である。この概要図において、各構成は図１に示す製造装置１０に準じるものである。この製造において、主な構成は以下のものである。
イオン交換膜：陰イオン交換膜（ＡＥＭ）
第一の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
第二の液：カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）
第三の液：アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）
この実施形態では、陰イオン交換膜である第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースの陰イオン（Ｘ-）が第一の空間に移動する。また、陰イオン交換膜である第二のイオン交換膜部を介して、アニオンソースの陰イオン（Ａ-）が第二の空間に移動する。これにより、第二の空間には、カチオンソースの陽イオン（Ｃ+）と、アニオンソースの陰イオン（Ａ-）が存在する状態となる。そして、この移動後のものを回収することで、イオン液体（Ｃ+Ａ-）を製造することができる。なお、原料となる各液からのイオン交換膜を介した移動しやすさを考慮すると、いずれも陰イオン交換膜とするこの第一の製造方法のほうが、後述する第二の製造方法よりも好ましい場合がある。
図４は、本発明の第一の製造方法に係る他の実施形態の概要図である。この概要図において、各構成は図１に示す製造装置１０に準じるものである。この製造において、主な構成は以下のものである。
イオン交換膜：陰イオン交換膜（ＡＥＭ）
第一の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
第二の液：カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）
第三の液：水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）
イオン交換膜：陰イオン交換膜（ＡＥＭ）
第一の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
第二の液：カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）
第三の液：水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）
この実施形態では、陰イオン交換膜である第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースの陰イオン（Ｘ-）が第一の空間に移動する。また、陰イオン交換膜である第二のイオン交換膜部を介して、水の水酸化物イオン（ＯＨ-）が第二の空間に移動する。これにより、第二の空間には、カチオンソースの陽イオン（Ｃ+）と、水酸化物イオン（ＯＨ-）が存在する状態となる。そして、この移動後のものを回収することで、イオン液体用原料（Ｃ+ＯＨ-）を製造することができる。
［本発明の第二の製造方法］
図５は、本発明の第二の製造方法に係る概要図である。この概要図において、各構成は図１に示す製造装置１０に準じるものである。この製造において、主な構成は以下のものである。
イオン交換膜：陽イオン交換膜（ＣＥＭ）
第一の液：カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）
第二の液：アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）
第三の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
図５は、本発明の第二の製造方法に係る概要図である。この概要図において、各構成は図１に示す製造装置１０に準じるものである。この製造において、主な構成は以下のものである。
イオン交換膜：陽イオン交換膜（ＣＥＭ）
第一の液：カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）
第二の液：アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）
第三の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
この実施形態では、陽イオン交換膜である第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースの陽イオン（Ｃ+）が第二の空間に移動する。陽イオン交換膜である第二の陰イオン交換膜部を介して、アニオンソースの陽イオン（Ｙ+）が第三の空間に移動する。これにより、第二の空間には、カチオンソースの陽イオン（Ｃ+）と、アニオンソースの陰イオン（Ａ-）が存在する状態となる。そして、この移動後のものを回収することで、イオン液体（Ｃ+Ａ-）を製造する。
［本発明の第二の製造方法］
図６は、本発明の第二の製造方法に係る概要図である。この概要図において、各構成は図１に示す製造装置１０に準じるものである。この製造において、主な構成は以下のものである。
イオン交換膜：陽イオン交換膜（ＣＥＭ）
第一の液：水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）
第二の液：アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）
第三の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
図６は、本発明の第二の製造方法に係る概要図である。この概要図において、各構成は図１に示す製造装置１０に準じるものである。この製造において、主な構成は以下のものである。
イオン交換膜：陽イオン交換膜（ＣＥＭ）
第一の液：水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）
第二の液：アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）
第三の液：水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）
この実施形態では、陽イオン交換膜である第一のイオン交換膜部を介して、供給用液の水素イオン（Ｈ+）が第二の空間に移動する。陽イオン交換膜である第二の陰イオン交換膜部を介して、アニオンソースの陽イオン（Ｙ+）が第三の空間に移動する。これにより、第二の空間には、水素イオン（Ｈ+）と、アニオンソースの陰イオン（Ａ-）が存在する状態となる。そして、この移動後のものを回収することで、イオン液体用原料（Ｈ+Ａ-）を製造する。
［反応器１］
反応器１は、カチオンソースやアニオンソース、回収用液、供給用液を原料としてイオン液体を製造するにあたって、イオンを移動させる場となる反応器である。この反応器は、それぞれの液を収容し、適宜流動させるものである。反応器１は、第一の空間２１、第二の空間２２、及び第三の空間２３の順に積層された層を有する。反応器１は、さらに他の液や気体などを流動させるためのものや各層を保護するものなど、他の空間を有するものとしてもよい。
反応器１は、カチオンソースやアニオンソース、回収用液、供給用液を原料としてイオン液体を製造するにあたって、イオンを移動させる場となる反応器である。この反応器は、それぞれの液を収容し、適宜流動させるものである。反応器１は、第一の空間２１、第二の空間２２、及び第三の空間２３の順に積層された層を有する。反応器１は、さらに他の液や気体などを流動させるためのものや各層を保護するものなど、他の空間を有するものとしてもよい。
［第一の空間２１］
第一の空間２１は、陽極電極部３１と、第一のイオン交換膜部３２と接し、第一の液を収容する。第一の液は、第一の空間２１に収容される液である。第一の液は、第一の実施形態（図３）である陰イオン交換膜を用いるときは、水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。また、陽イオン交換膜を用いるときは、第二の実施形態（図５）ではカチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）、または、第二の実施形態（図６）では水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。
第一の空間２１は、陽極電極部３１と、第一のイオン交換膜部３２と接し、第一の液を収容する。第一の液は、第一の空間２１に収容される液である。第一の液は、第一の実施形態（図３）である陰イオン交換膜を用いるときは、水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。また、陽イオン交換膜を用いるときは、第二の実施形態（図５）ではカチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）、または、第二の実施形態（図６）では水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。
［第二の空間２２］
第二の空間２２は、第一のイオン交換膜部３２と、第二のイオン交換膜部３３と接し、第二の液を収容する。第二の液は、第二の空間２２に収容される液である。第二の液は、第一の実施形態（図３）である陰イオン交換膜を用いるときは、カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）を収容する。また、第二の実施形態（図５）である陽イオン交換膜を用いるときは、アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）を収容する。
第二の空間２２は、第一のイオン交換膜部３２と、第二のイオン交換膜部３３と接し、第二の液を収容する。第二の液は、第二の空間２２に収容される液である。第二の液は、第一の実施形態（図３）である陰イオン交換膜を用いるときは、カチオンソース（Ｃ+、Ｘ-）を収容する。また、第二の実施形態（図５）である陽イオン交換膜を用いるときは、アニオンソース（Ｙ+、Ａ-）を収容する。
［第三の空間２３］
第三の空間２３は、第二のイオン交換膜部３３と、陰極電極部３４と接し、第三の液を収容する。第三の液は、第三の空間２３に収容される液である。第三の液は、陰イオン交換膜を用いるときは、第一の実施形態（図３）ではアニオンソース（Ｙ+、Ａ-）、または、第一の実施形態の他の例（図４）では水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。また、第二の実施形態（図５）である陽イオン交換膜を用いるときは、水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。
第三の空間２３は、第二のイオン交換膜部３３と、陰極電極部３４と接し、第三の液を収容する。第三の液は、第三の空間２３に収容される液である。第三の液は、陰イオン交換膜を用いるときは、第一の実施形態（図３）ではアニオンソース（Ｙ+、Ａ-）、または、第一の実施形態の他の例（図４）では水を含む供給用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。また、第二の実施形態（図５）である陽イオン交換膜を用いるときは、水を含む回収用液（Ｈ+、ＯＨ-）を収容する。
第一の空間２１～第三の空間２３は、容器３０や、陽極電極部３１、第一のイオン交換膜部３２、第二のイオン交換膜部３３、陰極電極部３４により区画される。陽極電極部３１、陰極電極部３４間で電流を流すことで電場を発生させ、各空間に収容されている液からイオン交換膜を介してイオンを移動させる。そして、第二の空間２２で、イオン液体、またはイオン液体原料を作り、これを回収する。
各空間の容量等は、このために適した液量が収容でき、かつ、各イオンが十分に移動できればよく特に制限されない。それぞれの空間が厚すぎると、十分な電場がかかりにくい場合や、電場を発生させるための電圧等を強くする必要が生じる場合がある。また、イオン交換膜との距離によりイオンの移動の程度に差が生じてイオン液体の純度を調整しにくい場合がある。
このため、各空間の厚さは、カチオンソースやアニオンソース、イオン交換膜などの組み合わせに応じた移動時間等に応じ適宜設定することができる。各空間の厚さは、薄い方が移動距離が短く、必要な電流に対する電圧が低いことから適している。厚さは、例えば、１０ｍｍ以下や、５ｍｍ以下、２ｍｍ以下とすることができる。なお、この厚さとは、第一の空間２１においては、陽極電極部３１と第一のイオン交換膜部３２の距離である。第二の空間２２においては、第一のイオン交換膜部３２と第二のイオン交換膜部３３の距離である。第三の空間２３においては、第二のイオン交換膜部３３と陰極電極部３４の距離である。
［陽極電極部３１］
陽極電極部３１は、陽極電極として機能する部分である。陽極電極部３１は、容器３０の内面に張り付けた陽極電極そのものとする金属部材等としてもよいし、陽極電極部３１が接する第一の液との反応性などを考慮して、適宜、陽極電極としての機能を維持するものとして、保護部材を設けたものとしてもよい。
陽極電極部３１は、陽極電極として機能する部分である。陽極電極部３１は、容器３０の内面に張り付けた陽極電極そのものとする金属部材等としてもよいし、陽極電極部３１が接する第一の液との反応性などを考慮して、適宜、陽極電極としての機能を維持するものとして、保護部材を設けたものとしてもよい。
［陰極電極部３４］
陰極電極部３４は、陰極電極として機能する部分である。陰極電極部３４は、容器３０の内面に張り付けた陰極電極そのものとする金属部材等としてもよいし、陰極電極部３４が接する第三の液との反応性などを考慮して、適宜、陰極電極としての機能を維持するものとして、保護部材を設けたものとしてもよい。
陰極電極部３４は、陰極電極として機能する部分である。陰極電極部３４は、容器３０の内面に張り付けた陰極電極そのものとする金属部材等としてもよいし、陰極電極部３４が接する第三の液との反応性などを考慮して、適宜、陰極電極としての機能を維持するものとして、保護部材を設けたものとしてもよい。
陽極電極部３１と陰極電極部３４とは、各電極間で電場が発生するように、電線や電源と接続したものを用いる。陽極電極部３１と陰極電極部３４とは、例えば、方形の容器３０の対向する面にそれぞれ、電極部材を貼り付けて、電線・電源とつないだものとすることができる。イオンの置換量は、例えば電流で制御することができる。一定の電流を流すための電圧は、イオンの移動しやすさや各空間の厚みで決まる。電流値は、各溶液の流量、製造量、反応時間、イオン濃度などを考慮して適宜設定できる。反応器１は、一部前述したように薄いことが好ましい。また、電流は、５ｍＡ～１０Ａや、１０ｍＡ～１Ａ、２０ｍＡ～０．５Ａ程度とすることができる。
［イオン交換膜部３２、３３］
イオン交換膜部３２、３３は、各空間に配置した、カチオンソースや、アニオンソース、回収用液間で、イオン交換するための膜を配置した部分である。イオン交換膜部３２、３３は、いずれも陽イオン交換膜を用いたり、いずれも陰イオン交換膜を用いるような、同極性のものを用いる。これにより、それぞれのイオンを置き換えて、イオン液体を製造する。イオン交換膜部のイオン交換膜は、適度な交換容量で、高いイオン透過性を有するものが好ましい。イオン交換膜部３２と３３には、いずれも同じイオン交換膜を用いてもよいし、それぞれのイオン交換膜を介して移動させたいイオンの種類や大きさなどに合わせて、異なるものを用いてもよい。
イオン交換膜部３２、３３は、各空間に配置した、カチオンソースや、アニオンソース、回収用液間で、イオン交換するための膜を配置した部分である。イオン交換膜部３２、３３は、いずれも陽イオン交換膜を用いたり、いずれも陰イオン交換膜を用いるような、同極性のものを用いる。これにより、それぞれのイオンを置き換えて、イオン液体を製造する。イオン交換膜部のイオン交換膜は、適度な交換容量で、高いイオン透過性を有するものが好ましい。イオン交換膜部３２と３３には、いずれも同じイオン交換膜を用いてもよいし、それぞれのイオン交換膜を介して移動させたいイオンの種類や大きさなどに合わせて、異なるものを用いてもよい。
［陽イオン交換膜］
陽イオン交換膜は、陽イオンを選択的に透過させる膜である。陽イオン交換膜は、電場があるところで陽イオンを透過させるものとすることができる。陽イオン交換膜は、各空間に収容する液への耐性や、透過性などを考慮して、選択して用いる。陽イオン交換膜は、スチレン－ジビニルベンゼンや、テフロン（登録商標）のようなポリテトラフルオロエチレンなどからなる基材に、スルホ基やカルボキシル基などの負荷電基を導入したものが用いられる。例えば、ＡＧＣエンジニアリング セレミオン（登録商標）の、ＣＭＶＮや、ＣＭＴＥ、ＨＳＦ、ＣＭＦなどを用いることができる（参照ＵＲＬ：https://www.agec.co.jp/agec/pdf/selemion.pdf）。また、イオンが透過しやすいように厚み１２０μｍ以下の薄いものなどを用いることが好ましい。
陽イオン交換膜は、陽イオンを選択的に透過させる膜である。陽イオン交換膜は、電場があるところで陽イオンを透過させるものとすることができる。陽イオン交換膜は、各空間に収容する液への耐性や、透過性などを考慮して、選択して用いる。陽イオン交換膜は、スチレン－ジビニルベンゼンや、テフロン（登録商標）のようなポリテトラフルオロエチレンなどからなる基材に、スルホ基やカルボキシル基などの負荷電基を導入したものが用いられる。例えば、ＡＧＣエンジニアリング セレミオン（登録商標）の、ＣＭＶＮや、ＣＭＴＥ、ＨＳＦ、ＣＭＦなどを用いることができる（参照ＵＲＬ：https://www.agec.co.jp/agec/pdf/selemion.pdf）。また、イオンが透過しやすいように厚み１２０μｍ以下の薄いものなどを用いることが好ましい。
［陰イオン交換膜］
陰イオン交換膜は、陰イオンを選択的に透過させる膜である。陰イオン交換膜は、電場があるところで陰イオンを透過させるものとすることができる。陰イオン交換膜は、各空間に収容する液への耐性や、透過性などを考慮して、選択して用いる。陰イオン交換膜は、スチレン－ジビニルベンゼンなどからなる基材に、アミノ基やトリメチルアミノ基、ビニルピリジン基などの正荷電基を導入したものが用いられる。例えば、ＡＧＣエンジニアリング セレミオン（登録商標）の、ＤＳＶＮ、ＡＭＶＮ、ＡＡＶ、ＡＳＶＮ、ＡＨＯなどを用いることができる。また、イオンが透過しやすいように厚み１２０μｍ以下などの薄いものなどを用いることが好ましい。
陰イオン交換膜は、陰イオンを選択的に透過させる膜である。陰イオン交換膜は、電場があるところで陰イオンを透過させるものとすることができる。陰イオン交換膜は、各空間に収容する液への耐性や、透過性などを考慮して、選択して用いる。陰イオン交換膜は、スチレン－ジビニルベンゼンなどからなる基材に、アミノ基やトリメチルアミノ基、ビニルピリジン基などの正荷電基を導入したものが用いられる。例えば、ＡＧＣエンジニアリング セレミオン（登録商標）の、ＤＳＶＮ、ＡＭＶＮ、ＡＡＶ、ＡＳＶＮ、ＡＨＯなどを用いることができる。また、イオンが透過しやすいように厚み１２０μｍ以下などの薄いものなどを用いることが好ましい。
［容器３０］
容器３０は、反応器１の各部を取り付け、各空間を構成する一部となるものである。容器３０は、液を収容し、漏出させずに、液への耐性を有し、液と意図しない反応が生じにくいものであればよい。陽極電極部３１と陰極電極部３４間で、電流等の制御を行いやすいように、容器３０は絶縁性が高いものであることが好ましい。たとえば、樹脂製や陶器製のものを用いることができる。樹脂としては、ポリプロピレンやポリスチレンなどを用いることができる。
容器３０は、反応器１の各部を取り付け、各空間を構成する一部となるものである。容器３０は、液を収容し、漏出させずに、液への耐性を有し、液と意図しない反応が生じにくいものであればよい。陽極電極部３１と陰極電極部３４間で、電流等の制御を行いやすいように、容器３０は絶縁性が高いものであることが好ましい。たとえば、樹脂製や陶器製のものを用いることができる。樹脂としては、ポリプロピレンやポリスチレンなどを用いることができる。
［回収用液］（Ｈ+、ＯＨ-）
回収用液は、反応器１内でのイオン交換に伴い、不要となるイオンを回収するための液である。回収用液は、実施形態に応じて、第一の空間２１か第三の空間２３に収容される液である。回収用液は、水を含むものであれよく、この水中にイオンが回収される。回収用液は、他の反応やイオン交換などを防止し、取り扱いやすい純水が好ましい。なお、回収用液は、水（Ｈ2Ｏ）を含み、電気分解やイオン交換等に寄与するイオンとしてＨ+、ＯＨ-により図中で説明する場合がある。
回収用液は、反応器１内でのイオン交換に伴い、不要となるイオンを回収するための液である。回収用液は、実施形態に応じて、第一の空間２１か第三の空間２３に収容される液である。回収用液は、水を含むものであれよく、この水中にイオンが回収される。回収用液は、他の反応やイオン交換などを防止し、取り扱いやすい純水が好ましい。なお、回収用液は、水（Ｈ2Ｏ）を含み、電気分解やイオン交換等に寄与するイオンとしてＨ+、ＯＨ-により図中で説明する場合がある。
［カチオンソース］（Ｃ+、Ｘ-）
カチオンソースは、イオン液体のカチオンを供給する供給源である。また、カチオンソースは、液体である。カチオンソースが、単独で流動性を有する場合、純物質を用いてもよいし、適宜、水溶液で用いてもよい。なお、カチオンソースは、イオン液体におけるカチオンを「Ｃ+」で記載し、カチオンソースにおける原料としての、塩化物イオンや水酸化物イオンなどのアニオン物質を「Ｘ-」と記載する場合がある。
カチオンソースは、イオン液体のカチオンを供給する供給源である。また、カチオンソースは、液体である。カチオンソースが、単独で流動性を有する場合、純物質を用いてもよいし、適宜、水溶液で用いてもよい。なお、カチオンソースは、イオン液体におけるカチオンを「Ｃ+」で記載し、カチオンソースにおける原料としての、塩化物イオンや水酸化物イオンなどのアニオン物質を「Ｘ-」と記載する場合がある。
カチオンソースのカチオン（Ｃ+）は、例えば、イミダゾリウム塩や、ピロリジニウム塩、ピリジニウム塩、ピペリジニウム塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩等のカチオンがあげられる。カチオンソースは、例えば、２ＨＥＡ（２ヒドロキシエチルアンモニウム）+イオン、ＢＭＩＭ（１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム）+イオン、およびＢＭＰｙｒ（１－ブチル－１メチルピロリジニウム）+イオンからなる群から選択されるいずれかのカチオンを含む液とすることができる。
［アニオンソース］（Ｙ+、Ａ-）
アニオンソースは、イオン液体のアニオンを供給する供給源である。また、アニオンソースは液体である。ソースが、単独で流動性を有する場合、純物質を用いてもよいし、適宜、水溶液で用いてもよい。なお、アニオンソースは、イオン液体におけるアニオンを「Ａ-」で記載し、アニオンソースにおける原料としての水素イオンや金属イオンなどのカチオン物質を「Ｙ+」と記載する場合がある。
アニオンソースは、イオン液体のアニオンを供給する供給源である。また、アニオンソースは液体である。ソースが、単独で流動性を有する場合、純物質を用いてもよいし、適宜、水溶液で用いてもよい。なお、アニオンソースは、イオン液体におけるアニオンを「Ａ-」で記載し、アニオンソースにおける原料としての水素イオンや金属イオンなどのカチオン物質を「Ｙ+」と記載する場合がある。
アニオンソース（Ａ-）は、例えば、Ｃｌ-、Ｂｒ-、Ｉ-、ＮＯ3
-イオン、ＨＣＯＯ-イオン、ＣＨ3ＣＯＯ-イオン、ＢＦ4
-イオン、およびＰＦ6
-イオンからなる群から選択されるいずれかのアニオンを含む液とすることができる。
［供給用液］（Ｈ+、ＯＨ-）
供給用液は、反応器１内でのイオン交換に伴い、水素イオンまたは水酸化物イオンを供給するための液である。供給用液は、実施形態に応じて、第一の空間２１か第三の空間２３に収容される液である。供給用液は、水を含むものであれよく、この水中のイオンが供給される。供給用液は、他の反応やイオン交換などを防止し、取り扱いやすい純水が好ましい。なお、供給用液は、水（Ｈ2Ｏ）を含み、電気分解やイオン交換等に寄与するイオンとしてＨ+、ＯＨ-により図中で説明する場合がある。
供給用液は、反応器１内でのイオン交換に伴い、水素イオンまたは水酸化物イオンを供給するための液である。供給用液は、実施形態に応じて、第一の空間２１か第三の空間２３に収容される液である。供給用液は、水を含むものであれよく、この水中のイオンが供給される。供給用液は、他の反応やイオン交換などを防止し、取り扱いやすい純水が好ましい。なお、供給用液は、水（Ｈ2Ｏ）を含み、電気分解やイオン交換等に寄与するイオンとしてＨ+、ＯＨ-により図中で説明する場合がある。
［イオン液体］（Ｃ+Ａ-）
イオン液体は、アニオンとカチオンのイオンからなる液体である。イオン液体は、不可避的に含まれるものや、除去が困難なもの、意図的に混合するものなどの不純物等を含んでもよいし、実質的にイオン液体のみからなるものでもよい。イオン液体は、カチオンソースのカチオン（Ｃ+）と、アニオンソースのアニオン（Ａ-）からなる。例えば、非特許文献１や非特許文献２、特許文献１～４に記載のものなどがあげられる。
イオン液体は、アニオンとカチオンのイオンからなる液体である。イオン液体は、不可避的に含まれるものや、除去が困難なもの、意図的に混合するものなどの不純物等を含んでもよいし、実質的にイオン液体のみからなるものでもよい。イオン液体は、カチオンソースのカチオン（Ｃ+）と、アニオンソースのアニオン（Ａ-）からなる。例えば、非特許文献１や非特許文献２、特許文献１～４に記載のものなどがあげられる。
具体的には、次のものなどがあげられる。カチオンとして、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムを用いたものとして、「1-Butyl-3-methylimidazolium nitrate」、「1-Butyl-3-methylimidazolium formate」、「1-Butyl-3-methylimidazolium acetate」、「1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate」、「1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate」、「1-Butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide」などがあげられる。
また、カチオンとして、１－ヘキシル－３－メチルイミダゾリウムを用いたものとして、「1-hexyl-3-methylimidazolium chloride」、「1-hexyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate 」、「1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate」、「1-hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate」などがあげられる。
また、カチオンとして、１－アリル－３－メチルイミダゾリウムを用いたものとして、「1-Allyl-3-methylimidazolium chloride」、「1-Allyl-3-methylimidazolium dicyanamide」、「1-Allyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide」、「1-Allyl-3-methylimidazolium iodide」などがあげられる。
また、カチオンとして、１－ブチル－３－ビニルイミダゾリウムを用いたものとして、「1-Butyl-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide」などがあげられる。
また、カチオンとして、２－ヒドロキシエチルアンモニウムを用いたものとして、「2-hydroxyethylammonium nitrate」、「2-hydroxyethylammonium formate」、「2-hydroxyethylammonium acetate」などがあげられる。
また、カチオンとして、１－ブチル－１－メチルピロリジニウムを用いたものとして、「1-Butyl-1-methylpyrrolidinium nitrate」、「1-Butyl-1-methylpyrrolidinium formate」、「1-Butyl-1-methylpyrrolidinium acetate」、「1-Butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide」、「1-Butyl-1-methylpyrrolidinium dicyanamide」、「1-Butyl-1-methylpyrrolidinium hexafluorophosphate」、「1-Butyl-1-methylpyrrolidinium triflate」などがあげられる。
また、カチオンとして、１－エチル－１－メチルピロリジニウムを用いたものとして、「1-Ethyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide」などがあげられる。
また、カチオンとして、１－ブチル－１－メチルピペリジニウムを用いたものとして、「1-Butyl-1-methylpiperidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide」、「1-Butyl-1-methylpiperidinium triflate」、「1-Butyl-1-methylpiperidinium hexafluorophosphate」などがあげられる。
また、カチオンとして、１－ブチル－２－メチルピリジニウムを用いたものとして、「1-Butyl-2-methylpyridinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide」、「1-Butyl-2-methylpyridinium hexafluorophosphate」、「1-Butyl-2-methylpyridinium tetrafluoroborate」、「1-Butyl-2-methylpyridinium triflate」などがあげられる。
［イオン液体原料］（Ｃ+ＯＨ-）、（Ｈ+Ａ-）
イオン液体原料は、カチオンと水酸化物イオンのイオンからなる液体である。または、水素イオンとアニオンのイオンからなる液体である。そして、これらの水素イオンをカチオンと置き換えたり、水酸化物イオンをアニオンと置き換えることで、イオン液体を得る原料となるものである。イオン液体原料は、不可避的に含まれるものや、除去が困難なもの、意図的に混合するものなどの不純物等を含んでもよいし、実質的にイオン液体のみからなるものでもよい。
イオン液体原料は、カチオンと水酸化物イオンのイオンからなる液体である。または、水素イオンとアニオンのイオンからなる液体である。そして、これらの水素イオンをカチオンと置き換えたり、水酸化物イオンをアニオンと置き換えることで、イオン液体を得る原料となるものである。イオン液体原料は、不可避的に含まれるものや、除去が困難なもの、意図的に混合するものなどの不純物等を含んでもよいし、実質的にイオン液体のみからなるものでもよい。
カチオンと水酸化物イオンのイオンからなるイオン液体原料を、酸と反応させる、または、水酸化物イオンをアニオンソースのアニオンに交換して、イオン液体を得ることができる。水素イオンとアニオンのイオンからなるイオン液体原料を、アルカリと反応させる、または、水素イオンをカチオンソースのカチオンに交換して、イオン液体を得ることができる。これらの工程は、イオン液体原料を、本発明に用いる反応器のカチオンソースや、アニオンソースとして利用することで、イオン液体を製造するものとしてもよい。このようなイオン液体原料を用いて、イオン液体を製造することで、効率よく高純度なイオン液体を製造することもできる。
第二の空間に製造されたイオン液体やイオン液体原料は、そのままイオン液体やイオン液体原料となるように製造してもよいし、適宜、流動用に併用した溶媒等を除去してもよい。
［供給ライン・回収ライン］
製造装置１０は、各空間に、液を供給して、イオン交換を行った後の液を回収する、連続的な製造装置とすることができる。本発明の製造にあたっては、イオン交換が経時的に状況変化することから、各空間での滞留時間や交換効率などを設計して、新鮮な原料液を供給しながら反応後の液は取出する連続的な製造のほうが好ましい。
製造装置１０は、各空間に、液を供給して、イオン交換を行った後の液を回収する、連続的な製造装置とすることができる。本発明の製造にあたっては、イオン交換が経時的に状況変化することから、各空間での滞留時間や交換効率などを設計して、新鮮な原料液を供給しながら反応後の液は取出する連続的な製造のほうが好ましい。
製造装置１０において、各空間に供給ラインと、回収ラインが設けられている。第一の空間２１は、供給口２１１と、回収口２１２の開口部を有する。供給口２１１には、第一の液を収容している容器４１から配管４１１を通してポンプにより第一の液を供給する供給ラインが設けられている。また、配管５１１と容器５１に接続され回収口２１２には、配管５１１を通して反応後の第一の空間の液を容器５１に回収する回収ラインが設けられている。
同様に、第二の空間２２には、第二の液を供給する供給ラインをなすものとして、供給口２２１側に容器４２、配管４２１が設けられている。また、反応後の第二の空間の液を回収する回収ラインをなすものとして、回収口２２２側に容器５２、配管５２１が設けられている。また、第三の空間２３には、第三の液を供給する供給ラインをなすものとして、供給口２３１側に容器４３、配管４３１が設けられている。また、反応後の第三の空間の液を回収する回収ラインをなすものとして、回収口２３２側に容器５３、配管５３１が設けられている。
これにより、第一の空間２１、第二の空間２２、第三の空間２３にそれぞれの液が図１～６における左から右に流れ、イオン交換膜を通してイオンが順次移動し、回収口付近までにイオン構成が入れ替わり、第二の空間２２でイオン液体またはイオン液体原料が得られる。このように、製造装置１０の反応器１を用いて、連続的にイオン液体またはイオン液体原料を製造することができる。
［切替部］
反応器１の各空間に各液を供給する量を、制御器７で制御することができる。制御器７には、製造するイオン液体への置換割合や、アニオンソースやカチオンソースの組み合わせなどを入力する。この入力された情報は、適宜表示部で確認することができる。制御器７には、製造中の液を切り替える内容を入力し、その内容に基づいて、各供給ラインが接続されるカチオンソースやアニオンソースを切り替えることもできる。供給ラインで供給する液を切り替える切替手段により切り替えることで、イオン液体の構成を変更することができる。これにより、円滑に製造するイオン液体を変更することもできるし、回収するイオン液体を、複数のイオン液体を混合した混合イオン液体とすることもできる。
反応器１の各空間に各液を供給する量を、制御器７で制御することができる。制御器７には、製造するイオン液体への置換割合や、アニオンソースやカチオンソースの組み合わせなどを入力する。この入力された情報は、適宜表示部で確認することができる。制御器７には、製造中の液を切り替える内容を入力し、その内容に基づいて、各供給ラインが接続されるカチオンソースやアニオンソースを切り替えることもできる。供給ラインで供給する液を切り替える切替手段により切り替えることで、イオン液体の構成を変更することができる。これにより、円滑に製造するイオン液体を変更することもできるし、回収するイオン液体を、複数のイオン液体を混合した混合イオン液体とすることもできる。
本発明は、現在、グリーンケミストリー、エネルギー循環の効率化において注目されているイオン液体を高純度にオンデマンドで供給する手法に関するものとすることができ、様々な産業分野への展開が期待される。また、従来の手法と異なり、高い自由度で陽イオンと陰イオンの組み合わせを生み出すことができるため、イオン液体の研究を推進することができる。
イオン液体を用いた製品の開発において、様々な組み合わせのイオン液体を評価し、最適なものを選択することは有用である。本発明による製造装置では、小ロット・多品種の製造が容易に実現することから、イオン液体の研究開発における基盤技術としても有用である。本発明のシステムをアレイとして、並列に複数配置することでスケールアップも可能であり、研究開発向けから実用スケールまで対応できるイオン液体供給装置を構築できる。
このように、本発明は、例えば、陰イオン交換膜を用いる構成の場合、陽極と陰極に挟まれた流路を２つの陰イオン交換膜で仕切って３層構造とし、陽極に接する流路に超純水を供給し、陰極に接する流路に所望の陰イオン溶液を供給し、中間の流路に所望の陽イオン溶液を供給し、陽極と陰極の間に直流電界を印加することによって陽イオン溶液の陰イオンを陰イオン溶液の陰イオンに置換することによって、中間の流路から高純度のイオン液体を得る方法等として達成することができる。また、前述した本発明の製造方法等により、イオン液体原料を得るものや、陽イオン交換膜を用いてイオン液体やイオン液体原料を得るものとすることができる。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を変更しない限り以下の実施例に限定されるものではない。
図７は、本発明の製造装置の反応器の製造例に係る像である。この反応器は、塩化ビニル製で内側に流路となる中空部が生じる容器を用いている。ガスケットは、ナイロンのメッシュにチャネルパターンを切り抜いたパラフィルムを熱圧着したものである。像の下部にあたる容器の内側下面に、陰極電極（白金メッシュ）を配置し、像の上部にあたる容器の内側上面に、陽極電極となる白金メッシュを配置した。電極間に、陰イオン交換膜であるＡＧＣエンジニアリング社製「セレミオン（登録商標）“ＤＳＶＮ”」を２枚配置した。これにより、容器内に上から順に、以下の構成を有する反応器を作製した。
構成：陽極電極／第一の空間／第一のイオン交換膜／第二の空間／第二のイオン交換膜／第三の空間／陰極電極
構成：陽極電極／第一の空間／第一のイオン交換膜／第二の空間／第二のイオン交換膜／第三の空間／陰極電極
反応器１の左側に各空間に異なる液を供給する供給口を設け、反応器１の右側に反応器１内で反応した液を回収する回収口を設けた。第一の空間と第二の空間とは第一のイオン交換膜で分離されている。第二の空間と第三の空間とは第二のイオン交換膜で分離されている。それぞれの空間は、液が連続的に供給されたときの流路となる。
各空間は、反応器１を平面視したときの上下となる流路の幅が約５ｍｍ、左右となる長さが約４０ｍｍである。また、反応器１を正面視したときの上下となる各空間の厚さは、いずれも約１３０μｍである。
［試薬］
［カチオンソース］（イオン液体用のカチオン：使用した試薬）
・２ＨＥＡ+（2-hydroxyethylammonium ion）ソース：２－ヒドロキシエチルアンモニウム塩、2-hydroxyethylamine hydrochloride、2-HEA+Cl-、TCI, Japan、>98%
・ＢＭＩＭ+（1-Butyl-3-methylimidazolium ion）ソース：１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム塩化物、1-butyl-3-methylimidazolium chloride、[BMIM]+Cl-、TCI, Japan、>98%、または、1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate、[BMIM]+BF4 -、TCI, Japan,>98%、または、1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate、[BMIM]+HSO4 -、BLD Pharmatech Ltd.、97%
・ＢＭＰｙｒ+（1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ion）ソース（図１４では、「Ｐｙｒ+」と略記）：１－ブチル－１－メチルピロリジニウム塩、1-butyl-1-methylpyrrolidinium chloride、BMPyr+Cl-、Merck、>99%
［カチオンソース］（イオン液体用のカチオン：使用した試薬）
・２ＨＥＡ+（2-hydroxyethylammonium ion）ソース：２－ヒドロキシエチルアンモニウム塩、2-hydroxyethylamine hydrochloride、2-HEA+Cl-、TCI, Japan、>98%
・ＢＭＩＭ+（1-Butyl-3-methylimidazolium ion）ソース：１－ブチル－３－メチルイミダゾリウム塩化物、1-butyl-3-methylimidazolium chloride、[BMIM]+Cl-、TCI, Japan、>98%、または、1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate、[BMIM]+BF4 -、TCI, Japan,>98%、または、1-butyl-3-methylimidazolium hydrogen sulfate、[BMIM]+HSO4 -、BLD Pharmatech Ltd.、97%
・ＢＭＰｙｒ+（1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ion）ソース（図１４では、「Ｐｙｒ+」と略記）：１－ブチル－１－メチルピロリジニウム塩、1-butyl-1-methylpyrrolidinium chloride、BMPyr+Cl-、Merck、>99%
［アニオンソース］（イオン液体用のアニオン：使用した試薬）
・ＮＯ3 -ソース：硝酸ナトリウム、Sodium nitrate、NaNO3、Necalai Tesque>99.%
・ＨＣＯＯ-ソース：ギ酸、Sodium formate、NaHCO2、 Necalai Tesque、≧98.0%
・ＣＨ3ＣＯＯ-ソース：酢酸、Sodium acetate、NaOAc、 Necalai Tesque、≧99.0%
・ＢＦ4 -ソース：テトラフルオロホウ酸、sodium tetrafluoroborate、Na+BF4 -、Wako、98.0%
・ＰＦ6 -ソース：ヘキサフルオロリン酸、sodium hexafluorophosphate、Na+PF6 -、TCI、>98%
・ＮＯ3 -ソース：硝酸ナトリウム、Sodium nitrate、NaNO3、Necalai Tesque>99.%
・ＨＣＯＯ-ソース：ギ酸、Sodium formate、NaHCO2、 Necalai Tesque、≧98.0%
・ＣＨ3ＣＯＯ-ソース：酢酸、Sodium acetate、NaOAc、 Necalai Tesque、≧99.0%
・ＢＦ4 -ソース：テトラフルオロホウ酸、sodium tetrafluoroborate、Na+BF4 -、Wako、98.0%
・ＰＦ6 -ソース：ヘキサフルオロリン酸、sodium hexafluorophosphate、Na+PF6 -、TCI、>98%
・超純水：回収用液として、超純水を用いた。
この反応器を用いて、カチオンソースやアニオンソースの各種組み合わせを行い、イオン液体を製造した。以下に、組み合わせによる製造例等を表１や、図８～図１４等を用いて説明する。
表１は、本実施例による製造例に係る、イオン液体（ＩＬｓ）の物理化学的特性（Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）をまとめたものである。各組み合わせについて、融点（Ｍｅｌｔｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ）、粘度（Ｖｉｓｉｃｏｓｉｔｙ）、Ｄｅｎｓｉｔｙ（密度）、電気化学窓（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｗｉｎｄｏｗ）、イオン導電性（Ｉｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）を、文献からまとめた物性である。
図８は、実施例に係るグラフであり、製造されたイオン液体をイオンクロマトグラフィーにより評価した結果である。表２は、評価に用いたイオンクロマトグラフィーのカラム（Ｃｏｌｕｍｎ）、溶離液（Ｅｌｕｅｎｔ）、流速（Ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）を示したものである。表２のカラムの、Ｓｈｏｄｅｘ（登録商標）は昭和電工株式会社の商標である。
図９は、実施例に係るグラフであり、製造条件の影響を評価したものである。ここでは、カチオンとしてＢＭＩＭ+と、アニオンとしてＮＯ3
-を用いて製造した。図９の上段は、電流（Ｃｕｒｒｅｎｔ）を変更したときの製造されたイオン液体の製造効率とｐＨを示す。図９の下段は、第二の空間のカチオンソース（Ａｃｃｅｐｔｏｒ）の流量を変更したときの製造されたイオン液体の製造効率とｐＨを示す。
図１０は、実施例に係るグラフであり、製造条件の影響を評価したものである。ここでは、カチオンとしてＢＭＩＭ+と、アニオンとしてＮＯ3
-を用いて製造した。図１０の上段は、第三の空間のアニオンソース（ｄｏｎｏｒ）の流量を変更したときの製造されたイオン液体の製造効率とｐＨを示す。図１０の下段は、第三の空間のアニオンソース（ｄｏｎｏｒ）の濃度を変更したときの製造されたイオン液体の製造効率とｐＨを示す。
図１１は、実施例に係るグラフであり、流量を変更したときの混合イオン液体の構成を示す図である。この製造条件は、図９の上段の電流の検討を行ったものに準じる。電流を変更することで、カチオンソースに使用した液に由来するＣｌ-から、アニオンソースに使用した液に由来するＮＯ3
-への置換の程度を調整する事ができる。
図１２は、実施例に係るグラフであり、高純度のイオン液体合成を検討したときの製造結果を示すものである。図１２は、ＢＭＩＭ+ＮＯ3
-イオン液体の製造例に関する。本試験により、純度９７．５％のＢＭＩＭ+ＮＯ3
-イオン液体を得ることができた。
また、図１３は、実施例に係るグラフであり、高純度のイオン液体合成を検討したときの製造結果を示すものである。図１３は、ＨＥＡ+ＮＯ3
-イオン液体の製造例に関する。本試験により、純度９８．８％のＨＥＡ+ＮＯ3
-イオン液体を得ることができた。
図１４は、実施例に係るグラフであり、各組み合わせでのイオン液体の変換効率をまとめたものである。各種の組み合わせで、高い変換効率でイオン液体を製造することができた。なお、これらの図に示す評価結果は、陰イオンの濃度から求めた純度である。製造されたイオン液体の溶液に水素イオンなどの不純物が含まれるとそのカウンターイオンが目的とするアニオンとなり含まれることがある。また、水素イオンは水の乖離によっても生成する。よって、陰イオン交換膜と電場によってＯＨ-が取り除かれると条件によっては残存し、変換効率は１００％を超えるものとなる場合もある。
本発明は、イオン液体やイオン液体原料の製造に利用することができ、産業上有用である。
１ 反応器
１０ 製造装置
２１ 第一の空間
２２ 第二の空間
２３ 第三の空間
２１１、２２１、２３１ 供給口
２１２、２２２、２３２ 回収口
３０ 容器
３１ 陽極電極部
３２ 第一のイオン交換膜部
３３ 第二のイオン交換膜部
３４ 陰極電極部
４１～４３、５１～５４ 容器
４１１、４２１、４３１、５１１、５２１、５３１ 配管
７ 制御器
１０ 製造装置
２１ 第一の空間
２２ 第二の空間
２３ 第三の空間
２１１、２２１、２３１ 供給口
２１２、２２２、２３２ 回収口
３０ 容器
３１ 陽極電極部
３２ 第一のイオン交換膜部
３３ 第二のイオン交換膜部
３４ 陰極電極部
４１～４３、５１～５４ 容器
４１１、４２１、４３１、５１１、５２１、５３１ 配管
７ 制御器
Claims (9)
- 陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、
前記第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、
前記第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、
前記第一の空間、前記第二の空間、及び前記第三の空間の順に積層された反応器を用い、
前記第一のイオン交換膜部及び前記第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陰イオン交換膜であり、
前記第一の空間の第一の液は、水を含む回収用液であり、
前記第二の空間の第二の液は、カチオンソースであり、
前記第三の空間の第三の液は、アニオンソース、または水を含む供給用液であり、
前記第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースのアニオンを前記第一の空間に移動させ、
前記第二のイオン交換膜部を介して、アニオンソースのアニオン、または前記供給用液の水酸化物イオンを前記第二の空間に移動させることで、
前記第二の空間で、前記カチオンソースのカチオンと、前記アニオンソースのアニオンとを構成イオンとするイオン液体、または、前記カチオンソースのカチオンと前記供給用液の前記水酸化物イオンを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法。 - 陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、
前記第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、
前記第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、
前記第一の空間、前記第二の空間、及び前記第三の空間の順に積層された反応器を用い、
前記第一のイオン交換膜部及び前記第二のイオン交換膜部の膜が、いずれも陽イオン交換膜であり、
前記第一の空間の第一の液は、カチオンソース、または水を含む供給用液であり、
前記第二の空間の第二の液は、アニオンソースであり、
前記第三の空間の第三の液は、水を含む回収用液であり、
前記第一のイオン交換膜部を介して、カチオンソースのカチオン、または前記供給用液の水素イオンを前記第二の空間に移動させ、
前記第二のイオン交換膜部を介して、アニオンソースのカチオンを前記第三の空間に移動させることで、
前記第二の空間で、前記カチオンソースのカチオンと、前記アニオンソースのアニオンとを構成イオンとするイオン液体、または、前記供給用液の前記水素イオンと、前記アニオンソースのアニオンとを構成イオンとするイオン液体原料を製造する方法。 - 前記第一の空間に、第一の液を供給する供給ラインと、反応後の第一の空間の液を回収する回収ラインと、
前記第二の空間に、第二の液を供給する供給ラインと、反応後の第二の空間の液を回収する回収ラインと、
前記第三の空間に、第三の液を供給する供給ラインと、反応後の第三の空間の液を回収する回収ラインと、を有し、
前記反応器を用いて、連続的にイオン液体またはイオン液体原料を製造する請求項１または２に記載の方法。 - 前記供給ラインで供給する液を切替手段により切り替えることで、イオン液体またはイオン液体原料の構成を変更する請求項３に記載の方法。
- 前記回収用液が、純水であり、
前記カチオンソースが、２ヒドロキシエチルアンモニウムイオン、１－ブチル－３－メチルイミダゾリウムイオン、１－ヘキシル－および１－ブチル－１メチルピロリジニウムイオンからなる群から選択されるいずれかのカチオンを含む液であり、
前記アニオンソースが、ＮＯ3 -イオン、ＨＣＯＯ-イオン、ＣＨ3ＣＯＯ-イオン、ＢＦ4 -イオン、およびＰＦ6 -イオンからなる群から選択されるいずれかのアニオンを含む液である、請求項１または２に記載の方法。 - 請求項１に記載の方法で得られた前記イオン液体原料を、酸と反応させる、または、前記水酸化物イオンをアニオンソースのアニオンに交換して、イオン液体を得る工程を有する、イオン液体を製造する方法。
- 請求項２に記載の方法で得られた前記イオン液体原料を、アルカリと反応させる、または、前記水素イオンをカチオンソースのカチオンに交換して、イオン液体を得る工程を有する、イオン液体を製造する方法。
- 陽極電極部と、第一のイオン交換膜部と接し、第一の液を収容する第一の空間と、
前記第一のイオン交換膜部と、第二のイオン交換膜部と接し、第二の液を収容する第二の空間と、
前記第二のイオン交換膜部と、陰極電極部と接し、第三の液を収容する第三の空間とを有し、
前記第一の空間、前記第二の空間、及び前記第三の空間の順に積層された反応器を有し、
前記イオン交換膜部が、いずれも陽イオン交換膜、またはいずれも陰イオン交換膜を用いたものである、イオン液体またはイオン液体原料を製造する装置。 - 前記第一の空間に、第一の液を供給する供給ラインと、反応後の第一の空間の液を回収する回収ラインと、
前記第二の空間に、第二の液を供給する供給ラインと、反応後の第二の空間の液を回収する回収ラインと、
前記第三の空間に、第三の液を供給する供給ラインと、反応後の第三の空間の液を回収する回収ラインと、を有し、
前記反応器を用いて、連続的にイオン液体またはイオン液体原料を製造する請求項８に記載の装置。
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| JP2021-186459 | 2021-11-16 | ||
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| WO2023090143A1 true WO2023090143A1 (ja) | 2023-05-25 |
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2022/040795 WO2023090143A1 (ja) | 2021-11-16 | 2022-10-31 | イオン液体やイオン液体原料を製造する方法、またその製造する装置 |
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Citations (8)
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2022
- 2022-10-31 WO PCT/JP2022/040795 patent/WO2023090143A1/ja active Search and Examination
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