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离子液体性质及其与SO_2相互作用机理研究

作　者: 姜海超
导　师: 胡永琪
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 离子液体二元混合物计算机模拟脱硫吸收
分类号: X701.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

作为一种新型绿色溶剂，离子液体由于其独特的性质受到人们关注，并且在SO₂吸收方面有着极大的应用潜力，但主要存在两个问题：（1）目前的研究主要集中在对SO₂产生化学吸收作用的离子液体。化学吸收键合力强，吸收性好，但解吸条件苛刻；（2）离子液体粘度较大。为此，本论文提出以多吸收位物理吸收型离子液体作为SO₂吸收剂。物理吸收位的增多，可有效地提高离子液体对SO₂的吸收能力，同时物理吸收的解吸比较容易，能够较好地解决化学吸收型离子液体解吸难的问题。粘度较大是离子液体作为吸收剂时的共性问题，在离子液体中加入分子溶剂可有效地解决粘度问题。本论文通过实验和分子动力学（MD）模拟的方法对多吸收位物理吸收型离子液体以及加入分子溶剂后形成的二元体系的物理性质、SO₂吸收特性和机理、离子液体微观结构与宏观性质之间的关系等进行研究。本论文首先实验测定了对SO₂具有物理吸收作用且带有3个物理吸收位的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑乳酸盐（[bmim][L-lactate]）及[bmim][L-lactate]+分子溶剂（甲醇，乙醇，正丁醇和水）二元混合物的密度和表面张力，并对其体积性质和表面性质进行了研究。同时本论文还对吡啶类离子液体N-辛基-吡啶硝酸盐（[ocpy][NO₃]）和[ocpy][NO₃]+醇（甲醇，乙醇和正丁醇）二元混合物的体积及表面性质进行了实验研究，以丰富离子液体与分子溶剂二元混合物的物理化学性质数据，为进一步应用提供依据。本论文对作者前期工作中所建立的[L-lactate]-阴离子的UA力场进行了改进，通过MD模拟研究了系列带有[L-lactate]-阴离子的纯咪唑类离子液体[amim][L-lactate]（[dmim]⁺，[emim]⁺，[bmim]⁺和[hmim]⁺）以及[bmim][L-lactate]+分子溶剂（甲醇、乙醇、正丁醇和水）二元混合物的性质及微观结构。结果表明，离子液体中静电作用力占主导地位，并且随着阳离子上侧链取代基中碳原子数的增加而减弱；离子液体阴阳离子间存在较强的相互作用，这也可能是离子液体具有低蒸汽压和高粘度的原因之一；混合物中的溶剂分子更倾向于聚集在阴离子周围，而阳离子与溶剂分子间没有强相互作用。本论文开展了纯离子液体[bmim][BF₄]，[emim][L-lactate]和[bmim][L-lactate]以及二元混合物[bmim][L-lactate]+H₂O对SO₂的吸收及解吸性能的实验研究、量子化学计算和分子动力学模拟。结果表明，上述三种离子液体中[bmim][L-lactate]对SO₂的吸收性能最佳，[bmim][L-lactate]+H₂O二元混合物也体现出良好的SO₂吸收能力；同时对SO₂分子在多吸收位物理吸收型离子液体中的吸收机理有了较为清晰的解释。本论文结合实验、量子化学计算和分子动力学模拟，从微观到宏观研究了离子液体的性质及其与SO₂之间的相互作用关系，丰富了其理化性质数据，为其进一步应用，尤其是作为SO₂吸收剂的应用提供了理论依据。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
目录  11-14
Contents  14-22
第一章绪论  22-39
  1.1 引言  22
  1.2 室温离子液体简介  22-24
    1.2.1 离子液体的发展  23
    1.2.2 离子液体的种类  23-24
  1.3 离子液体的应用  24-26
  1.4 离子液体在SO_2吸收方面的应用  26-28
  1.5 SO_2多吸收位物理吸收型离子液体的提出  28-29
  1.6 离子液体+分子溶剂二元混合体系  29-30
  1.7 分子模拟概况  30-31
  1.8 离子液体模拟概述  31-33
  1.9 本论文研究内容  33-35
  参考文献  35-39
第二章离子液体+分子溶剂二元混合物性质的实验研究  39-84
  2.1 引言  39
  2.2 离子液体密度和表面张力的测定  39-40
    2.2.1 药品  39-40
    2.2.2 离子液体密度的测定  40
    2.2.3 离子液体表面张力的测定  40
  2.3 纯离子液体[ocpy][NO_3]的热力学性质  40-43
    2.3.1 [Ocpy][NO_3]的体积性质  40-42
    2.3.2 [Ocpy][NO_3]的表面性质  42-43
  2.4 离子液体[ocpy][NO_3]+醇二元混合物的热力学性质  43-56
    2.4.1 [Ocpy][NO_3]+醇二元混合物的体积性质  43-53
    2.4.2 [Ocpy][NO_3]+醇二元混合物的表面性质  53-56
  2.5 纯离子液体[bmim][L-lactate]的热力学性质  56-59
    2.5.1 [Bmim][L-lactate]的体积性质  56-58
    2.5.2 [Bmim][L-lactate]的表面性质  58-59
  2.6 离子液体[bmim][L-lactate]+醇二元混合物的热力学性质  59-73
    2.6.1 [Bmim][L-lactate]+醇二元混合物的体积性质  59-68
    2.6.2 [Bmim][L-lactate]+醇二元混合物的表面性质  68-73
  2.7 离子液体[bmim][L-lactate]+H_2O二元混合物的热力学性质  73-80
    2.7.1 [Bmim][L-lactate]+H_2O二元混合物的体积性质  73-78
    2.7.2 [Bmim][L-lactate]+H_2O二元混合物的表面性质  78-80
  2.8 本章小节  80-81
  参考文献  81-84
第三章离子液体[bmim][L-lactate]+分子溶剂二元混合物的 MD 模拟研究  84-114
  3.1 引言  84
  3.2 力场形式  84-85
  3.3 力场中原子的命名  85
  3.4 力场的改进  85-87
  3.5 [Amim][L-lactate]离子对的优化  87-91
  3.6 [Amim][L-lactate]的MD模拟  91-93
    3.6.1 周期性边界条件  92
    3.6.2 MD模拟的系综简介  92-93
    3.6.3 模拟细节  93
  3.7 结果与讨论  93-98
    3.7.1 热力学性质  93-95
    3.7.2 结构性质  95-97
    3.7.3 传递性质  97-98
  3.8 [Bmim][L-lactate]与醇混合物MD模拟  98-106
  3.9 [Bmim][L-lactate]+H_2O二元混合物MD模拟  106-110
  3.10 本章小结  110-112
  参考文献  112-114
第四章离子液体对 SO_2吸收性能及相互作用机理的研究  114-134
  4.1 引言  114
  4.2 离子液体吸收SO_2的实验研究  114-124
    4.2.1 实验仪器与药品  114
    4.2.2 硫代硫酸钠的标准溶液的配制及标定  114-115
    4.2.3 碘溶液的配制及标定  115-116
    4.2.4 二氧化硫气体的配制  116-117
    4.2.5 脱硫与再生工艺流程  117
    4.2.6 温度对纯离子液体脱硫性能的影响  117-120
    4.2.7 水对离子液体脱硫性能的影响  120-121
    4.2.8 不同离子液体脱硫性能的比较  121-122
    4.2.9 离子液体再生性能研究  122-124
  4.3 离子液体脱硫机理研究  124-131
    4.3.1 [Bmim]~+/[BF_4]~-/[L-lactate]~-与SO_2分子间的相互作用  124-125
    4.3.2 [Bmim][L-lactate]离子对与SO_2分子间的相互作用  125-127
    4.3.3 [Bmim][L-lactate]-SO_2体系MD模拟  127-130
    4.3.4 [Bmim][L-lactate]+H_2O-SO_2体系MD模拟  130-131
  4.4 本章小结  131-133
  参考文献  133-134
第五章结论  134-136
致谢  136-137
攻读学位期间发表的学术论文  137-138
作者简介  138-139
导师简介  139-140
附件  140-141

离子液体性质及其与SO_2相互作用机理研究

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