香港科技大学杨经伦教授团队：体相离子液体和离子液体涂层吸收甲苯的对比研究

研究导读

离子液体是极具潜力的温室气体和挥发性有机化合物吸收材料，实验方法和分子模拟被广泛用来研究离子液体的构效关系，为设计新型特定任务式离子液体提供了重要指导。

对于气体吸收过程而言，直接使用离子液体简单高效，但高的粘度常常导致体相中慢的气体扩散和吸收过程，通过构筑离子液体涂层则有望解决这一问题。香港科技大学杨经伦教授团队考察了在体相和涂层状态下的离子液体对气相甲苯的吸收过程，研究了离子液体的粘度和正辛醇/水分配系数对吸收过程的影响，确定了影响离子液体的甲苯亲和力和可再生能力的重要因素。文章发表在Green Chemical Engineering，题为“A comparative study between ionic liquid coating and counterparts in bulk for toluene absorption”。

内容概述

本研究采用具有不同碳链长度和阴离子的咪唑基离子液体作为吸收材料，以填充在吸收瓶中的体相状态和负载在石英晶片表面的涂层状态，来吸收由鼓泡法产生的甲苯蒸气（见图1示意图）。

图1.体相离子液体和离子液体涂层吸收甲苯过程的示意图。

从图2的甲苯吸收曲线，具有较长碳链的离子液体疏水性更强，展示了更高的甲苯吸收容量（[HMIM][BF₄] > [BMIM][BF₄] > [EMIM][BF₄]）；阴离子显著影响离子液体的甲苯吸收容量，甲苯吸收容量以乙酸根离子、四氟硼酸根离子、碘离子、硫酸氢根离子的顺序递减。对比图2（a）和图2（b）的体相离子液体和离子液体涂层的甲苯吸收曲线，除离子液体[BMIM][PF₆]外，同一离子液体的存在状态基本不影响它们的甲苯吸收容量（不对称阳离子[BMIM]和弱配位阴离子[PF₆]诱导的离子液体自组装，导致了[BMIM][PF₆]纳米涂层的局部不均匀性，进而降低了在涂层状态下的甲苯吸收容量）。

图2.（a）体相离子液体和（b）离子液体涂层的甲苯吸收曲线。

本研究发现甲苯在体相离子液体和离子液体涂层中的吸收速率相差2-3个数量级：在体相状态，离子液体的粘度限定了甲苯吸收速率常数，普遍来说，高的粘度导致了慢的甲苯吸收过程（见图3（a））。在涂层状态，甲苯在离子液体中的传质和扩散对整体吸收过程的影响可以忽略不计，体系的弛豫时间仅取决于离子液体的正辛醇/水分配系数，较高的正辛醇/水分配系数意味着离子液体具有较强的甲苯亲和力，从而展现了更快的甲苯吸收过程（见图3（b））。

图3.（a）体相离子液体的甲苯吸收速率常数与粘度的关系，以及（b）离子液体涂层的甲苯吸收弛豫时间与正辛醇/水分配系数的关系。

本研究也采用可再生系数（R_p：在甲苯解吸过程中，体相离子液体中和气相中的甲苯浓度比）定量描述了离子液体的甲苯亲和力和可再生能力，可再生系数的引入很好关联了离子液体的三大重要性质（粘度、正辛醇/水分配系数、离子强度）与离子液体的解吸再生过程。

文章信息

Title：A comparative study between ionic liquid coating and counterparts in bulk for toluene absorption

Authors：Ventura Castillo Ramos, Wei Han, King Lun Yeung^*

DOI：doi.org/10.1016/j.gce.2020.10.008

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原文链接: https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.10.008

通讯作者简介

杨经伦，香港科技大学化学及生物工程学系教授、环境及可持续发展学部教授、国际期刊Chemical Engineering Journal共同主编。1989年获菲律宾德拉萨大学化学工程学士学位；1993年获美国圣母大学化学工程博士学位；1996年至今在香港科技大学工作，主要从事环境和健康相关的微纳功能材料和器件的研制和开发。迄今为止发表超过200篇期刊论文；在国际会议上作大会报告和主题报告20余次；拥有20余项发明、获30余项多国专利授权、10余项实现产业化。他及其领导的研究团队和项目先后荣获CASA/SME“大学领先奖”（2001）、谷歌X实验室“探月计划”（2015）、日内瓦国际发明展金奖（2018）、香港特别行政区行政长官社区服务奖状（2020）等。。

期刊简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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