[发明专利]一种高效可逆吸收氨气的金属离子液体吸收剂

说明书

技术领域

本发明属于气体分离与净化技术领域，具体涉及一种由吡啶或咪唑及其衍生物为阳离子和不同金属氯化配合物为阴离子组成的金属离子液体作为吸收剂，通过金属离子与氨气间的化学络合作用，以及阳离子、氯离子与氨气间的氢键等作用，共同实现对氨气的高效可逆吸收分离。

背景技术

氨气(NH₃)是一种具有强烈刺激性气味的无色气体，对人体和环境都有着极大的危害。空气中氨含量大于0.02％即将引起人体慢性中毒。当长期暴露于浓度为400ppm的氨蒸汽时会对粘膜产生损害，因刺激鼻喉而产生咳嗽、呼吸困难及呕吐现象。研究表明，大气中的氨排放是导致雾霾的主要原因之一，所形成的硫铵、硝铵等颗粒物贡献大气中PM2.5中质量浓度的30％左右，峰值甚至达到60％。2015年国家的无机化学工业污染物排放标准(GB31573-2015)规定，排放尾气中氨的含量≤10mg/m³。含氨废气的来源主要有合成氨弛放气、焦炉煤气、三聚氰胺尾气、钼酸铵尾气、尿素造粒塔尾气等，直接排放或者燃烧方法不仅会产生二次污染，还会造成氨资源的严重浪费。因此从工业废气中分离回收NH₃具有重大的意义。

现有分离回收NH₃的主要方法有化学吸收法和物理吸收法，化学吸收NH₃通常生成低附加值的氮肥，几乎相当于固废，且吸收剂存在挥发性大和腐蚀性强等缺点。水吸收法技术虽较为成熟，但存在氨回收利用率低，浓缩再生水易挥发导致消耗量大，能耗高，含氨废水排放量多，环境污染严重等不足。因此开发高效、稳定性好、可循环利用的新型吸收剂来处理尾气中NH₃是该领域发展的重要方向。

离子液体因其特有的蒸汽压低、稳定性好、气体溶解能力强和结构可设计性等优点，为NH₃的高效分离回收提供了新思路。到目前为止，关于离子液体吸收NH₃方面研究已有一些报道，表明离子液体对NH₃具有较好的吸收溶解能力，其溶解度主要受离子液体阳离子种类和结构的影响。与吡咯、喹啉和季膦等阳离子相比，咪唑和季胺类离子液体对NH₃具有更高的溶解能力，在阳离子侧链上引入羟基能提高NH₃的溶解度。如在常温常压条件下，NH₃在羟基功能化离子液体[EtOHmim][BF₄]和[Choline][Tf₂N]的溶解度分别为0.135和0.082gNH₃/gIL(Sep Purif Technol,2011,82,43)，而在常规离子液体[Emim][BF₄]和[Emim][Tf₂N]溶解度仅为0.016和0.007gNH₃/gIL(Ind Eng Chem Res,2007,46，1605)，这主要是阳离子上羟基与NH₃形成了较强的氢键作用所导致。本团队合成了一种新型质子型离子液体[Bim][Tf₂N]，该离子液体通过阳离子上咪唑环上3位上的H与NH₃间的氢键作用实现高效吸收，在40℃和0.1MPa条件下对NH₃的吸收量可达0.113gNH₃·gIL^-1(Green Chem,2017,19,937)。但上述功能化离子液体与NH₃间均以物理吸收为主，对NH₃吸收容量仍然有限。为了进一步提高对NH₃的吸收能力，考虑到金属氯化物具有对NH₃高的吸附容量，但较差的传热性能和循环性，本发明将离子液体与金属氯化物结合起来，提出了一种由吡啶或咪唑及其衍生物为阳离子和不同金属氯化配合物为阴离子组成的新型离子液体吸收剂，利用金属离子与NH₃间的化学络合作用，以及阳离子、氯离子与NH₃间的氢键等作用，共同实现对NH₃的高效可逆吸收，是一种极具应用前景的回收氨气的吸收剂。目前专利(CN 201510389531.9)以含金属铁的咪唑类离子液体和杂多酸离子液体复配溶剂作为吸收剂，通过咪唑环上2位氢与NH₃形成铵根，达到脱除NH₃的目的；专利(ZL201510158450.8)则是主要涉及一类含钴配合物阴离子Co(NCS)₄^2-,Co(NTf₂)₃^-和Co(NO₃)₄^2-(不含钴氯化配合物)的离子液体作为NH₃吸收剂。本发明所述的含金属氯化配合物阴离子的离子液体吸收剂与上述专利所保护的离子液体种类是不同的。