低共熔溶剂分离含氮化合物的研究

发布时间：2020-04-13 21:12

【摘要】：氨气、吲哚、咔唑等含氮化合物的高效分离对于环境保护与发展可持续化工过程具有重要意义,但传统分离材料存在分离容量和选择性较低、不易循环利用、污染较大等不足。本文利用低共熔溶剂结构和性质可设计的特点,构建了氢键作用能力强、低挥发性、环境友好、制备简单且原料易得的新型杂化低共熔溶剂,建立了以低共熔溶剂为介质分离氨气和油品中咔唑、吲哚等中性含氮化合物的新方法,实现了含氮化合物的的高效、清洁分离。首次开展了低共熔溶剂吸收氨气的研究,通过调控组成低共熔溶剂的氢键供体/受体物质的种类和比例,获得了具有柔性氢键超分子网络结构的杂化低共熔溶剂,解决了低共熔溶剂无法兼顾溶剂-氨气作用强度与结构稳定性的难题。组成为氯化胆碱/间苯二酚/甘油(摩尔比1:7:5)的杂化低共熔溶剂在313K和101 kPa下的氨气溶解度高达0.18g·g-1,是所有已知低挥发溶剂中质量溶解度最高的溶剂,且至少在10个吸收-解吸循环之内性能不变。同时,杂化低共熔溶剂对氨气/二氧化碳的理论选择性高达142,显示出选择性分离氨气和二氧化碳的潜力。采用分子动力学模拟、COSMO-RS计算等方法研究了杂化低共熔溶剂的微观结构及其与氨气的相互作用,发现杂化低共熔溶剂内部存在柔性的氢键超分子网络结构,揭示了杂化低共熔溶剂能在氨气吸收过程中保持结构稳定性的原因。同时,氨气分子的每个原子都能与杂化低共熔溶剂发生较强的氢键作用,从而在两者之间也形成复杂的氢键网络,使得杂化低共熔溶剂在不与氨气发生化学反应的情况下也能很好地溶解氨气并能循环利用。研究了低共熔溶剂对模拟油品中的中性含氮化合物吲哚、咔唑的萃取分离性能,发现由氯化胆碱、多元羧酸/羟基羧酸/糖、结合水组成的杂化低共熔溶剂能够高效脱除油品中的痕量咔唑和吲哚,并且水分子与氯化胆碱-羧酸/糖之间存在显著的协同萃取效应。以氯化胆碱/DL-苹果酸/水(1:1:3)为萃取剂时,吲哚和咔唑的分配系数分别为11.0和1.82,是以氯化胆碱/DL-苹果酸或纯水为萃取剂时的几十倍乃至几百倍。同时,结合水的存在还可显著降低正庚烷在萃取剂中的溶解度,使吲哚/正庚烷、咔唑/正庚烷选择性分别高达8547和2304。量子化学计算显示结合水引入所导致的更松散的溶剂结构是产生协同效应的重要原因。
【图文】：

ｃ．邋Ｗａｔｅｒ邋ｂａｔｈ；邋ｄ．邋Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｓｔｉｒｒｉｎｇ；邋ｅ．邋Ｂｅａｋｅｒ邋ｗｉｔｈ邋ａｑｕｅｏｕｓ邋ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｃ邋ａｃｉｄ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ，邋ｆ．邋Ｖａｃｕｕｍ逡逑ｐｕｍｐ．邋ＶＩ－Ｖ４．邋Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ邋ｖａｌｖｅｓ．逡逑本文测定氨气溶解度的实验均使用自己搭建的实验装置，如图２．１所示，其逡逑原理主要是根据吸收前后吸收剂的质量变化来测定氨气在吸收剂中的溶解度。逡逑ＤＥＳ邋（约ｌＯ．Ｏｇ）重量预先由电子天平称出（精度±０．０００１邋ｇ），放入烧瓶（２５ｍｌ）逡逑中，氨气通过阀门ＶＩ和Ｖ２缓慢通入烧瓶中，烧瓶中带有磁力搅拌器用于加速逡逑吸收平衡，氨气被ＤＥＳ吸收后烧瓶总重量会逐渐增加，同时烧瓶中的气体尾气逡逑又通过管道排出到盐酸水溶液中，维持吸收体系中压力不发生改变。体系的温度逡逑由恒温水浴锅控制，温度的精度为±０．１邋Ｋ，吸收压力为大气压。在吸收过程中，逡逑烧瓶总重量会每小时记录一次，当烧瓶总重量不再增加时就认为达到了吸收平衡，逡逑可由吸收前后烧瓶总重量差值计算出ＤＥＳ的氨气吸收容量。逡逑２．２．３＿３邋Ｃ０２吸收实验逡逑本文中ｃｏ２溶解度测定实验均在课题组内搭建的实验装置上完成的，如图逡逑２．２所示

逦ＶＩ邋砀逡逑Ｖ４逡逑ｉ邋＼逡逑图２．１氨气溶解度测定实验装置示意图。ａ．氨气钢瓶；ｂ．反应烧瓶；ｃ．水浴装置；ｄ．磁力搅逡逑拌；ｅ．装有盐酸水溶液的烧杯；ｆ．真空泵；Ｖ１－Ｖ４．可调阀门逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ａｐｐａｒａｔｕｓ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｆｏｒ邋ＮＨ３邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，邋ａ．邋Ａｍｍｏｎｉａ邋ｇａｓ邋ｃｙｌｉｎｄｅｒ；邋ｂ．邋Ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｆｌａｓｋ；逡逑ｃ．邋Ｗａｔｅｒ邋ｂａｔｈ；邋ｄ．邋Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｓｔｉｒｒｉｎｇ；邋ｅ．邋Ｂｅａｋｅｒ邋ｗｉｔｈ邋ａｑｕｅｏｕｓ邋ｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒｉｃ邋ａｃｉｄ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ，邋ｆ．邋Ｖａｃｕｕｍ逡逑ｐｕｍｐ．邋ＶＩ－Ｖ４．邋Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ邋ｖａｌｖｅｓ．逡逑本文测定氨气溶解度的实验均使用自己搭建的实验装置，如图２．１所示，其逡逑原理主要是根据吸收前后吸收剂的质量变化来测定氨气在吸收剂中的溶解度。逡逑ＤＥＳ邋（约ｌＯ．Ｏｇ）重量预先由电子天平称出（精度±０．０００１邋ｇ），放入烧瓶（２５ｍｌ）逡逑中，氨气通过阀门ＶＩ和Ｖ２缓慢通入烧瓶中，烧瓶中带有磁力搅拌器用于加速逡逑吸收平衡，氨气被ＤＥＳ吸收后烧瓶总重量会逐渐增加，同时烧瓶中的气体尾气逡逑又通过管道排出到盐酸水溶液中，维持吸收体系中压力不发生改变。体系的温度逡逑由恒温水浴锅控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O626

【参考文献】

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本文编号：2626451