王景梅

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院 ,河南新鄉(xiāng) 453006)

離子液體應用研究進展

王景梅

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院 ,河南新鄉(xiāng) 453006)

對離子液體在電化學、萃取分離、化學、環(huán)境、食品、生物技術、材料科學等方面的應用研究進展進行綜述,并提出了發(fā)展建議。

離子液體 ;應用 ;進展

離子液體又稱室溫離子液體或室溫熔融鹽,是指在室溫或室溫附近呈液態(tài),并由陰陽離子組成的物質,具有很多獨特的理化性質,如蒸氣壓低、熱容量大、離子導電率高、電化學窗口寬、水穩(wěn)定性好、酸堿穩(wěn)定性好等。離子液體作為一類新型綠色介質,已成為國際科技前沿和焦點。目前離子液體已在電化學、萃取分離、化學、環(huán)境、紡織、食品、生物技術、材料等諸多領域都得到開發(fā)和應用。

本文主要對近年來離子液體在電化學、萃取分離、化學、環(huán)境、食品、生物技術、材料科學等方面的應用研究進展進行綜述。

1離子液體在電化學中的應用

電化學是離子液體最先應用的領域。隨著離子液體種類的迅速增加,離子液體在電化學領域的研究也不斷拓展。

1.1離子液體在鋰離子二次電池中的應用

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、自放電小、循環(huán)壽命長、無環(huán)境污染等突出優(yōu)點,被稱為綠色電池,人們不斷為其尋求高離子導電性的固體電解質材料。Macfarlane等[1]設計了離子液體為塑晶網(wǎng)格,將鋰離子參雜其中,這種晶格旋轉無序且存在空位,鋰離子可在其中快速移動,導電性好,使離子液體在二次電池的應用前景廣闊。Bockis等[2]合成了以吡啶陽離子為基礎的離子液體,可在較寬的溫度范圍內(nèi)和鋰穩(wěn)定共存,以它為電解質裝配的L iMnO4/Li電池顯示了較高的重放電循環(huán)效率 (>96%)。

1.2離子液體在太陽能電池中的應用

離子液體的熱穩(wěn)定性及高離子導電率等特性使其非常適合替代傳統(tǒng)有機溶劑電解質用于光電化學太陽能電池的電解液,且能增強電池的穩(wěn)定性和壽命。Kang等[3]合成了碘化 1-乙烯基 -3-庚基甲基咪唑鎓鹽 (VHpⅡ)離子液體作為燃料敏感化太陽能電池的電解液,發(fā)現(xiàn)碘化鋰添加物的 VHpⅡ型燃料敏感化太陽能電池的能量轉化率得到提高,光電池性能明顯增加。

1.3離子液體在燃料電池中的應用

燃料電池是將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的裝置。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制,能量轉化效率高、潔凈,從而倍受人們的青睞。Hagiwara等[4]用 [emim](HF)nF離子液體構造了燃料電池,顯示了其作為燃料電池電解液有很好的性能。

1.4離子液體在金屬電沉積中的應用

離子液體作為電解液電化學沉積各種金屬、合金、半導體材料等,可以獲得在傳統(tǒng)溶劑中不能發(fā)生電沉積的材料及室溫下沉積一些傳統(tǒng)方法在高溫才能沉積出來的材料,還可以通過改變離子液體的性質和電化學參數(shù)來調(diào)節(jié)粒徑的尺寸和合金的組成。Katayama等[5]用離子液體 [Em im]BF4作為鍍銀的無毒試劑。La可以在 AlCl3型離子液體電沉積得到[6]。金屬 Zn、Co、Ti、Ni、Pd、Hg、Sn、Bi、Tl、Pb、Au、Cu等在不同離子液體中的電化學沉積也有相關報道[7]。

1.5離子液體在電化學合成中的應用

電化學合成技術是在電化學反應器內(nèi)進行以電子轉移為主的合成有機化合物的清潔生產(chǎn)技術。鄧友全等[8]在室溫常壓無催化劑的條件下在[bm im]BF4、[bm im]PF6、[bpy]BF4離子液體中電化學活化CO2與環(huán)氧化合物反應,合成環(huán)狀碳酸酯,離子液體重復使用 5次催化活性沒有明顯降低。

1.6離子液體在毛細管電泳方面的應用

毛細管電泳作為很好的電化學分離手段,廣泛應用于金屬離子、藥物、蛋白質等的分離和檢測。但由于其硅管壁帶負電荷,能夠吸附正離子和生物大分子的正電荷部分,嚴重影響了分離效果;而離子液體的毛細管覆蓋技術可以減少吸附作用,使分離效果和重現(xiàn)性都很好。目前報道用作毛細管覆蓋的離子液體多為咪唑類[9]。

2離子液體在萃取分離中的應用

2.1離子液體萃取有機物

離子液體蒸氣壓低,液態(tài)范圍廣,對很多有機物有顯著而不同的選擇性,在萃取分離有機物領域應用非常廣泛。如多環(huán) -N-烷基異喹啉鹽[Cnisoq]與[BFTI]結合形成的離子液體萃取芳香族化合物特別是氯苯效率很高[10]。[bmim][PF6]可萃取水中苯的衍生物甲苯、苯胺、苯甲酸等,萃取后離子液體可循環(huán)使用[11]。疏水性離子液體 [bmim]PF6附于干凈的 PDMS膜上用于從水中回收醋酸[12]。顧彥龍等[13]利用[Mbim]Cl為浸取劑在較溫和條件下實現(xiàn)了Na2SO4和?；撬峁腆w混合物的分離,牛磺酸的收率達到 97%以上。

2.2離子液體萃取金屬離子

離子液體具有綠色環(huán)保、易回收的特點,非常適合用于萃取金屬離子,已成為國內(nèi)外離子液體研究的熱門領域。在萃取過渡金屬離子、堿金屬[14]、堿土金屬、錒類和放射性金屬方面都有深入的研究。Thied等[15]研究了離子液體[bmim][PF6]中加入硝酸來溶解用過的燃料回收金屬,對回收鈾和钚特別有效。Soufiane等使用離子液體和超臨界 CO2從水中萃取鑭系元素。通過水 /離子液體 /超臨界 CO2萃取鑭和銪,萃取率高達 87%。

2.3離子液體用于氣體分離

離子液體可以選擇性的溶解氣體,在氣體分離上有廣闊的前景。Ortiz等[16]用含有銀離子的 BmimBF4水溶液通過配位作用從丙烷 /丙烯混合物中吸收丙烯,該體系與傳統(tǒng)吸收劑相比顯示了更高的分離效果和環(huán)保效果。Ruth等[17]用處理過的離子液體膜去除燃料煤工廠產(chǎn)生的 CO2有很好的效果。

3離子液體在化學中的應用

離子液體具有良好的溶解性能,能溶解無機物、金屬有機物、高分子聚合物。另外可根據(jù)反應和反應后處理需要設計調(diào)整離子液體陰陽離子結構,使反應在均相中進行,后處理分層非均相操作。還可改變反應機理,誘導出新的催化活性,提高反應轉化率和選擇性。還出現(xiàn)了離子液體與微波、超聲波等偶合技術。因此,離子液體作為新型的反應介質或催化劑得到廣泛應用,如偶聯(lián)反應、Michael加成、Diels-Alder反應、環(huán)化反應、烷基化反應、?；磻脱趸€原反應、催化反應、聚合反應等。徐兆瑜[18]綜述了利用離子液體參與合成多種醫(yī)藥及中間體取得的進展,并且有些醫(yī)藥技術藉助離子液體的良好特性,可以加速反應,提高產(chǎn)品質量和產(chǎn)率,減少污染和降低成本等。

4離子液體在環(huán)境科學中的應用

4.1離子液體在空氣污染治理中的應用

隨著社會的發(fā)展,工業(yè)廢氣、汽車尾氣以及家庭裝修等人類活動造成的環(huán)境污染日趨嚴重,研究表明利用離子液體吸附技術治理空氣污染具有效率高、能耗低、工藝簡單、適用范圍廣等特點,已取得很大進展。

Genisson等[19]用離子液體吸附技術對含有SO2、NH3、H2S及苯污染物等室內(nèi)空氣進行凈化實驗,四種污染物都有較好的去除效果。離子液體還可有效清除空氣中的顆粒物、塵埃和細菌,如Welton等[20]報道用離子液體凈化含甲醛、苯、懸浮微粒、細菌的室內(nèi)空氣,發(fā)現(xiàn)其濃度都有所降低。

近年來離子液體吸附技術用于汽車尾氣污染治理的報道很多。如Wei等[21]研究了離子液體參與的氧化/萃取同時進行的汽油脫硫體系。Tamar等[22]把離子液體作為吸附劑用于凈化汽車尾氣有顯著效果。另外 Wu等[23]合成了功能化離子液體對工業(yè)煙氣中的 SO2進行脫除。Eber等[24]用離子液體萃取汽油和柴油中的 S化合物、N化合物,可使硫含量降至 10×10-6或更低。

4.2離子液體在工業(yè)污水處理中的應用

針對離子液體對微溶有機物及油類物質的獨特的萃取分離作用,已有許多離子液體成功分離出油田污水中的苯酚、苯胺等芳香族化合物的報道[25]。另外根據(jù)離子液體對水相中有機污染物的萃取規(guī)律,離子液體對印染廢水、化工制藥廢水的處理也有很大的優(yōu)勢。同時由于離子液體的可設計性,可嘗試合成適應處理這些污水的功能性離子液體。

4.3離子液體從天然氣中脫除 CO2、H2S酸性氣體

天然氣中 CO2、H2S的存在會降低其燃燒價值且給環(huán)境帶來污染。Song等[26]發(fā)現(xiàn)用咪唑鹽溶解[bmim]PF6的混合液去除天然氣中 CO2、H2S有較好的效果。Lee等[27]以特定離子液體作為流動相的支撐液膜,能有效地從天然氣中分離出 CO2、H2S,離子液體均勻的分布在聚二氯乙烯中,具有較高的穩(wěn)定性。

4.4離子液體對固廢資源的降解

含有少量無機酸的酸性氯化鋁離子液體能使廢塑料有效降解為有用小分子。如聚乙烯在[emim]Cl-AlCl3/[emim][HCl2]、LiCl-AlCl3/H2SO4體系中降解為大量低分子烷烴,收率可達 95%。廢舊光盤在酸性 [bmim][AlCl4]/H2SO4介質中,有效地降解為單體碳酸二苯酯,收率為 63%[28]。

5離子液體在食品工業(yè)中的應用

5.1離子液體在食品工業(yè)合成和分離中的應用

利用離子液體合成食品工業(yè)溶劑,能夠實現(xiàn)反應綠色化提高催化活性。慰志蘋等[29]利用 1-己基吡啶四氟硼酸鹽離子液體作為溶劑和催化劑合成食品工業(yè)常用的乙酸乙酯溶劑。反應中離子液體具有催化活性,反應選擇性為 100%,分離后離子液體重復使用 5次活性沒有降低。徐曉東等[30]用離子液體N-甲基咪唑四氟硼酸鹽合成 8種香料化合物。

分離提純回收產(chǎn)物一直是食品合成中的難題。研究發(fā)現(xiàn)離子液體獨特的理化特性非常適合分離提純。鄧凡政等[31]建立了離子液體和 NaH2PO4組成的雙水相萃取體系并用于蘆丁的分離,結果顯示萃取效果很好。離子液體在分離生物活性物質 (氨基酸、蛋白質等)方面表現(xiàn)了高效性和高選擇性,特別是功能化離子液體與超臨界 CO2技術、膜技術、雙水相萃取技術相結合,不僅能使分離效率提高,而且能夠為生物活性物質提供溫和的環(huán)境,產(chǎn)品活性得到最大的保持[32]。

5.2離子液體在食品廢棄物回收利用中的應用

在環(huán)境和能源危機的嚴峻形勢下,離子液體作為介質用于食品工業(yè)的固體廢棄物的回收和循環(huán)利用具有重大的研究價值。如將廢棄油脂轉化為生物柴油的研究:張磊等[33]制備并利用離子液體為催化劑進行大豆油脂交換反應制備生物柴油,產(chǎn)物中脂肪酸甲酯收率可達 96.5%,離子液體可循環(huán)使用。

6離子液體在生物技術方面的應用

離子液體以其獨特的性能解決了淀粉改性研究面臨的溶解性差的難題,促進了淀粉的結構修飾研究,使很多功能性官能團以各種方式引入淀粉,從而形成如醚化淀粉、接枝共聚淀粉等多種淀粉衍生物,使其擁有更多更好的性能,可以來取代由石油產(chǎn)品合成的難以降解的一些高聚物。離子液體還可作為纖維素的直接溶劑,能最大限度的保留天然纖維素的特性,并可通過水、乙醇、丙酮等溶劑將溶解的纖維素析出。

離子液體能溶解許多化合物,且不像極性有機溶劑那樣易使酶失活,許多酶在離子液體中的穩(wěn)定性高于有機溶劑中,因而它們作為綠色反應介質成為酶催化反應的溶劑。

7離子液體在材料科學中的應用

近年來離子液體在材料科學領域也得到了深入研究。如利用離子液體中溶解少量有機分析物使其黏度迅速降低的特點,可充當敏感材料檢測有機揮發(fā)物。利用離子液體寬液態(tài)范圍、熱穩(wěn)定性好,作為潤滑材料具有很大的優(yōu)勢。而且也能解決苛刻條件下的潤滑劑凝固、氧化分解和揮發(fā)流失現(xiàn)象,在航空、機械等領域具有應用前景。英國研究人員將憎水性離子液體用作藥物的儲存劑,構成可控藥物釋放系統(tǒng)?；陔x子液體的功能材料,如儲能材料、光學材料、智能材料、電學材料等,會是未來幾年研究的新熱點。

8結束語

離子液體本身獨特的理化特性,使它在電化學、化學、萃取分離等領域具有較大的應用價值,同時其種類繁多,可以根據(jù)不同需要改變陰陽離子來調(diào)節(jié)理化性質,達到不同的應用目的,在科學界和工業(yè)生產(chǎn)中將發(fā)揮巨大的作用。

目前離子液體的研究和開發(fā)存在著實驗數(shù)據(jù)缺乏、價格昂貴、某些離子液體本身有毒且難降解等問題,因此如何降低成本,設計合成更多對環(huán)境友好的離子液體,成為挑戰(zhàn)性的課題,需要近一步的深入研究。

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TQ050.7

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1003-3467(2010)24-0008-04

2010-12-31

王景梅 (1977-),女,助教,碩士,研究方向:有機合成,E-mail:jingmeiwang@sohu.com。