李 靜，王克良，汪 梅，連明磊，李 志，陳定梅

（六盤水師范學院化學與化學工程系，貴州 六盤水 553004）

離子液體在吸收式制冷循環(huán)中的應用研究

李 靜，王克良，汪 梅，連明磊，李 志，陳定梅

（六盤水師范學院化學與化學工程系，貴州 六盤水 553004）

離子液體由于具有可設計性、飽和氣壓低、無腐蝕性、強親水性等優(yōu)良的性質，非常適宜作為吸收式循環(huán)工質對的吸收劑，具有廣闊的應用前景。

離子液體；吸收式循環(huán)； 工質對

針對目前全球氣候變暖和能源接近枯竭的嚴峻挑戰(zhàn)，研究節(jié)能技術成為了各國解決這一問題的共識［1］。由于吸收式制冷循環(huán)可直接利用低品位熱源驅動，工質對類型具有多樣性等特點，因此受到了人們的廣泛關注。

吸收式制冷循環(huán)工質對的物理化學特性決定了其應用于循環(huán)的制冷性能，因此尋找合適的工質對成為了廣大學者的研究熱點。離子液體作為一種綠色溶劑，已經逐漸被應用于吸收式制冷循環(huán)中。將離子液體與水、醇類等制冷劑組合，即可成為新型吸收式制冷循環(huán)工質對。

1 離子液體

離子液體（Ionic Liquid）具有沸點高、無毒、可設計性等特點，一般由有機陽離子和無機陰離子組成［2］。目前研究較多的離子液體，按照其陽離子可分為季銨鹽類、季磷鹽類、烷基吡啶類［Rpy］+和烷基咪唑類。烷基咪唑類包括N，N-二烷基取代離子和2或4位亦被取代的離子，該類離子研究最多。按照陰離子主要分成兩類，一類是多核陰離子，如Al2Cl、Al3Cl、Au2Cl、Fe2C、Sb2F、Cu2C、Cu3C，這類陰離子是由相應的酸制成的，一般對水和空氣不穩(wěn)定；另一類是單核陰離子，如BF4、PF、NO、NO、SO、CH3COO-等，這類陰離子是堿性的或中性的［3］。圖1給出了常見的離子液體的陰、陽離子的結構。

圖1 陰、陽離子結構

2 吸收式循環(huán)工質對的研究

眾所周知，適用于吸收式裝置的制冷劑/吸收劑體系其工作溫度范圍應大些，且要求在工作溫度內必須是穩(wěn)定的。若綜合考慮這些，吸收式裝置采用的制冷劑可以分為水類、氨類、乙醇類、氟里昂類等四大類。人們正在思考的是表1列出的冷媒［4］，認為是有希望的。

表1 吸收式制冷系統所用主要冷媒的蒸發(fā)潛熱

水因潛熱大、無毒、化學穩(wěn)定，又有實用經驗，故為最適合的制冷劑。但是，空冷化時溴化鋰有結晶問題，熱泵化時不可能有0℃以下的蒸發(fā)溫度，0℃以下不能使用是其致命的缺點。其次是氨，潛熱較大，沸點低，從熱力學觀點看為優(yōu)良的冷媒，是高性能循環(huán)不可缺少的，可是，有毒性和可燃性，在個別國家如日本很少采用。乙醇系凝固點低，適用于低溫，但是有可燃性和黏性高等缺點［4］。

目前已有很多學者提出將離子液體作為吸收劑應用于制冷工質對中。Shiflett和Yokozeki［5］對HFCs、CO2和NH3在離子液體中的溶解性和擴散性進行大量研究后，提出以HFCs、NH3和H2O為制冷劑、離子液體為吸收劑進行配對，成為一種新型的吸收式工質對（如H2O/［Emim］［BF4］、NH3/［DMEA］［Ac］、（R134a）/［Emim］［BEI］）。Kim和Ziegler等人［6-7］提議將TFE/［Bmim］［BF4］和TFE/［Bmim］Br兩種溶液作為吸收式循環(huán)的工質對。從體系蒸氣壓測定的數據來看，［Bmim］［Br］/TFE更優(yōu)于［Bmim］［BF4］/TFE。Seiler等人［8］提出采用水作制冷劑時，離子液體作為吸收劑應滿足以下條件:與水完全互溶，不會出現結晶現象等。

3 含離子液體體系的分子模擬

盡管廣大學者對離子液體進行了大量研究，但是含離子液體的多元混合體系的數據目前仍然非常缺乏。隨著計算機的發(fā)展，采用分子模擬的方法計算含離子液體的混合體系的數據得到了廣泛應用。

計算機分子模擬預測熱力學性質的精度常取決于所用力場的質量。通常采用的力場有全原子力場（All-Atom force field，AA）和聯合原子力場（United-Atom force field，UA）兩種形式，前者顯示體系中的所有原子，而后者對體系中部分基團由單個原子取代并對其參數作適當調整。全原子力場由于計算精度相對較高，在離子液體模擬中應用較廣。Liu等人［9］對咪唑類離子液體的力場進行了全面而精細的調整，開發(fā)了一種基于AMBER力場的1-烷基、3-甲基咪唑型離子液體的AA力場。

Lynden-Bell課題組最早對含離子液體的體系進行了分子動力學模擬研究［10］。該課題組采用DL_POLY程序首先對純離子液體、小分子在離子液體中的溶劑化以及離子液體與水的混合物等方面進行了較為系統的模擬研究。此外，汪文川等人［11］建立了咪唑類離子液體的全原子力場，并模擬了O2、N2、Ar、CH4和CO2等氣體在離子液體中的溶解度。

Liu等人［l2］通過對幾種離子液體不同組分間徑向分布函數的分析，得到了陰離子和咪唑型陽離子上氫原子的作用強弱順序為H5＞H4＞H1＞HC，陰離子的強弱順序為Cl－＞BF＞PF。并通過陰/陽離子間空間分布的分析，揭示了陰離子在陽離子周圍的分布情況。

吳曉萍等人［13］通過分子模擬計算了［Bmim］［BF4］和水的混合物，發(fā)現該混合物中各組分間的相互作用情況隨［Bmim］［BF4］摩爾分數的增加呈有規(guī)律的變化。Hanke和Lynden-Bell［14］用分子模擬著重研究了［Dmim］Cl和水以及［Dmim］［PF6］和水的混合物的性質，發(fā)現咪唑類離子液體隨著烷基鏈的增長其親水性減弱，且陰離子越小，親水性越強，并計算了兩個二元體系的超額體積和混合焓。盡管混合過程能量的變化不大，但對［PF6］－和Cl－兩種離子液體有質的不同， 前者為正值，而后者的混合熱為負值，這與實驗觀察到的Cl－型離子液體的親水性及［PF6］－型離子液體的疏水性，經常表現為部分互溶的特性相一致。

4 結語

離子液體作為吸收劑應用于吸收式制冷循環(huán)工質對中是一項有前景的工作。雖然目前尚處于實驗研究和分子模擬計算階段，且關于含離子液體的工質對應用到吸收式循環(huán)中的研究較少，但隨著各國學者研究的不斷深入，對離子液體中典型的陰陽離子進行組合設計，通過實驗手段和分子模擬手段探索吸收劑與離子液體間的作用規(guī)律，進而找到性能優(yōu)良的適于吸收式循環(huán)的工質對，離子液體必將為吸收式制冷循環(huán)工質對的發(fā)展帶來廣闊的發(fā)展途徑。

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Application Study of Ionic Liquid in Absorption Cooling Cycle

LI Jing， WANG Ke-liang， WANG Mei， LIAN Ming-lei， LI Zhi， CHEN Ding-mei
（Department of Chemistry and Chemical Eng ineering， Liupanshui Normal University， Liupanshui 553004， China）

Ionic liquids were very suitable to be used as absorbent species in absorption cooling cycles owing to their characteristics such as design， low pressure， non-corrosion and strong hydrophilicity. It had broad application prospects.

ionic liquid； absorption cycle； working pairs

TB 61+6

A

1671-9905（2016）10-0037-03

貴州省科技廳聯合基金項目（黔科合J字LKLS［2013］28號）；貴州省教育廳重點科研項目（黔教合KY字［2014］282）；貴州省普通高等學校煤系固體廢棄物資源化技術創(chuàng)新團隊（黔教合人才團隊字［2014］46）

李靜（1986-），女，工學碩士，講師，主要從事能源高效利用技術研究。E-mail:woxinfeiyang1986@163.com

2016-07-25