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离子液体中的CO₂吸收并分离各种气体

2019/09/30

离子液体中的CO₂及其他吸收并分离各种气体 适用于多种用途的绿色溶剂

化学过程中经常使用的有机溶剂具有剧毒，对人体和环境有很大影响。因此，代替有机溶剂，高度安全的绿色溶剂已在开发中。因此，液态盐受到人们的关注。离子液体AIST 开发了适合各种化学工艺及其用途的离子液体高效化学工艺的开发

CO₂利用离子液体进行吸收，为应对全球变暖做出贡献

　全球变暖是一个全球性问题，但自 90 年代末以来，对策措施已加速，许多研究机构和公司正在减少工厂废气中的二氧化碳₂的技术，并且已经提出了多种方法。然而，常用的使用胺水溶液的化学吸收方法是₂，需要将其加热至近120摄氏度，并且吸收液的再生需要大量的能源成本。

“我们最初将化学过程中使用的有机溶剂转化为超临界二氧化碳₂超临界二氧化碳₂我们认为，通过将具有不洗脱到相中的催化功能的离子液体结合起来，可以创建新的化学反应场。因此，将高压CO₂时会发生什么是否适用？我们的研究是从澄清这个简单的问题开始的。”日本产业技术研究院化学工艺研究所紧凑系统工程组的 Mitsuo Kanakubo 说道。

产业技术研究院重点研究的离子液体。虽然它不是一个很多人都熟悉的词，但它实际上是一种自20世纪90年代被发现以来就在化学界引起巨大期待和关注的化合物，并且一直是积极研究和开发的主题。

　离子液体只是一种盐。然而，它与食盐（氯化钠）等普通盐不同。离子液体是具有有机结构的盐，因此它们在室温下变成液体。食盐是一种无机盐，但离子液体具有有机结构，并且被设计为具有低于室温的熔点。

　食盐等无机盐的阳离子和阴离子以晶格形式紧密结合在一起，因此它们在室温下不易熔化并且呈固体。然而，一个突破性的发现是，在盐中添加有机结构可以将其熔点降低到极低的水平，使其能够保持稳定的液态。这种盐仅由离子组成，被命名为“离子液体”。

Kanakubo课题组重点研究离子液体作为溶剂的特性，合成了由各种阳离子和阴离子组成的离子液体，并评估了它们的功能和性能。即使当他们试图通过修改其分子结构来创造新的离子液体时，他们也常常不会像假设的那样，例如所得的离子液体变成固体或者合成的离子液体的性质与他们的目标不同。

　如果没有合适的现成设备来测量离子液体，我们就自己制作。尽管集团配备的测量设备种类繁多，但自主研发了相当数量的在高压下进行过程评估的设备。 AIST 先进的物理特性测量技术使这成为可能，并成为设计新型离子液体的基础。

　在重复的合成和评估过程中，对离子液体进行了轻微的修改，得到了CO₂很好。

　我对此感到惊讶。当时离子液体有CO₂大量溶解。基于这一新现象，CO₂的过程。”

　通过使用离子液体，CO₂。金久保这么想。

　首先，CO₂的离子液体。二氧化碳₂，Kanekubo 等人。₂他以各种方式全神贯注，加深了对眼前发生的现象的理解。

　其中，什么样的离子液体分子结构中CO较多₂CO₂是多么容易。因此，通过逐渐改变离子液体的组合和分子结构，CO₂还包括水蒸气等其他气体，并且一直在开发最适合各种分离过程的新型离子液体。”

　新型离子液体还可作为胺水溶液的替代品，CO2可在100℃以下温和条件下使用₂可以恢复。预计能源成本可降低至常规成本的70%左右。

　二氧化碳₂与传统方法相比，收集量增加了一倍多，收集过程中使用的能源也减少了。通过使用这种离子液体，我们相信整个过程的能源成本可以显着降低。”

迄今为止，AIST原创的离子液体已有100多种，并已提供部分样品。在设计最适合吸收每种气体的离子液体的过程中，我们能够获得有关可用于气体分离以外的应用的新型离子液体的知识。

作为有机溶剂的替代品

　各种化学过程中使用的有机溶剂很有用，但另一方面，它们具有剧毒，如果吸入，会导致头晕、头痛和意识障碍，并且蒸发的气体很容易着火。

　为此，世界各国都在努力开发溶剂来替代有机溶剂，并利用它们构建新的化学工艺。在AIST，我们还提出了使用毒性较小且对环境影响较小的“绿色溶剂”的节能化学工艺，例如二氧化碳和水等超临界流体。预计在这里使用的新型绿色溶剂是离子液体。''

Kanakubo表示，离子液体适合作为绿色溶剂，因为它们几乎没有蒸气压并且挥发性非常低。换句话说，它对人类和环境的风险较低，而且由于它在室温下不会变成气体，因此不易燃。此外，它可以在很宽的温度范围内保持液态，具有优异的耐热性和化学稳定性，并且具有高导电性。

　它也很有吸引力，因为它可以制成各种分子结构。离子液体根据其分子结构具有不同的特性，因此我认为它们可以针对各种用途进行优化。我想将离子液体设计为功能性溶剂，并建立既健康又环保的新化学工艺。''

　新型离子液体的研究和开发从2000年左右开始在世界各地进行，金久保是注意到其巨大潜力的人之一。 Kanakubo 和他的同事致力于通过结合离子物种和修饰分子来开发具有各种性质和功能的离子液体，这些性质和功能被改变，例如疏水性、亲水性、粘度和导电性。

　100多种离子液体销往世界各地，它们不仅用作电池电解质和功能材料的材料，而且还被考虑用作分离和压缩过程、化学反应和材料合成过程中的溶剂。它也可用作测量和分析的溶剂，因为它可以溶解难溶物质，即使在真空下也不会蒸发。

　离子液体具有热稳定性和化学稳定性，因此可以在较宽的温度范围内作为单一溶剂使用，并且具有即使在高温下也不易变质的优点。

　还有一点是它可以溶解各种物质。即使是传统上难以溶解的难溶性物质，例如纤维素，也可以使用离子液体来溶解。而且，可以利用温度变化等来分离和回收溶解的气体，并且可以重复使用。

　Kanakubo 认为，离子液体仍然存在隐藏的需求，这些需求有可能在各种环境中展示其功能，但研究人员不可见。我们还希望利用我们在离子液体开发中积累的专业知识来满足将来可能出现的需求。

　离子液体之所以有吸引力，是因为它们具有非常大的气体吸收能力。在提取所吸收的气体时，它们可以在相对较低的温度下操作，从而降低了整个过程的能源成本。目前，我们正在通过改变温度、压力和CO等各种参数来评估性能₂我们正在开发适合各种用途的化学工艺，包括分离和回收。''

通过改变形状提高反应效率

到目前为止，我们已经介绍了使用液态离子液体的技术，但同一组的Takashi Makino正在研究和开发在保持其功能性的同时以其他形式使用它们的技术。

　“随着离子液体表面积的增加和粘度的降低，涉及使用离子液体作为催化剂的气体的化学反应进行得更快。我的主题是通过增加表面积和降低粘度来提高化学反应的效率。”

　牧野找到的答案是“多孔”和“高压CO”₂'' 具有无数孔的多孔物体具有很大的表面积。另外，CO₂溶解在离子液体中时会降低粘度。 Makino专注于二氧化硅和氧化铝等多孔材料，将其用离子液体浸渍并用作催化剂，然后使用高压CO₂，反应效率从低于40%提高到90%以上。此外，即使在100摄氏度下使用400小时后，它仍能继续发挥催化剂的作用。

　“只需将离子液体浸渍到氧化铝等过滤器中即可实现高性能二氧化碳。”₂可用作分离膜。问题是，如果只是让它浸泡，离子液体在加压时就会脱落，无法长期保持其性能。因此，我们决定通过将离子液体与聚合物混合并使其凝胶化来制造分离膜。”

　对凝胶化离子液体的评价表明，即使施加50个大气压的高压也不会脱落，即使在200摄氏度的高温下也能保持其性能而不会分解。此外，CO₂渗透性能高于仅用离子液体浸渍的膜。此外，CO₂还表明，可以使具有除分离之外的各种功能的离子液体凝胶化。

　我们还知道，即使将离子液体制成细颗粒或微小液滴，也可以保持其功能。我们希望将其用于气体分离和纯化以及化学反应过程。

　目前离子液体价格昂贵，距离实际应用还需要一段时间。然而，在仅使用少量离子液体的过程中（例如在热泵中）更容易展示离子液体的优越性，因此他们希望从这些领域开始进行实际应用。后来，随着离子液体的普及，我们开始接受植物等大规模应用的挑战。

另外，我们还在开发用作吸附剂的材料，以去除油漆等工作场所或航天器内部等封闭空间中空气中的有害物质。

　通过离子液体的设计和评估，我们已经积累了如何修饰什么样的结构的分子以达到所需功能的知识。一个满足个性化需求的离子液体设计平台已经建成。未来离子液体将投入实际应用。 “离子液体可用于多种应用，无论是分离、反应还是材料。我们相信，根据我们迄今为止的经验，我们可以帮助您合成和评估您所需的离子液体。请随时与我们联系，”Kanakubo 说。

　我们希望将来能够广泛推广使用离子液体的技术。基于同样的理念，金久保和牧野都在继续研究和开发以实现实际应用。