離子液體應(yīng)用研究進(jìn)展

王景梅

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,河南新鄉(xiāng) 453006)

離子液體應(yīng)用研究進(jìn)展

王景梅

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,河南新鄉(xiāng) 453006)

對(duì)離子液體在電化學(xué)、萃取分離、化學(xué)、環(huán)境、食品、生物技術(shù)、材料科學(xué)等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,并提出了發(fā)展建議。

離子液體 ;應(yīng)用 ;進(jìn)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(yáng)離子組成的物質(zhì),具有很多獨(dú)特的理化性質(zhì),如蒸氣壓低、熱容量大、離子導(dǎo)電率高、電化學(xué)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(zhì),已成為國(guó)際科技前沿和焦點(diǎn)。目前離子液體已在電化學(xué)、萃取分離、化學(xué)、環(huán)境、紡織、食品、生物技術(shù)、材料等諸多領(lǐng)域都得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

本文主要對(duì)近年來(lái)離子液體在電化學(xué)、萃取分離、化學(xué)、環(huán)境、食品、生物技術(shù)、材料科學(xué)等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1離子液體在電化學(xué)中的應(yīng)用

電化學(xué)是離子液體最先應(yīng)用的領(lǐng)域。隨著離子液體種類的迅速增加,離子液體在電化學(xué)領(lǐng)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(yīng)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(zhǎng)、無(wú)環(huán)境污染等突出優(yōu)點(diǎn),被稱為綠色電池,人們不斷為其尋求高離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)材料。Macfarlane等[1]設(shè)計(jì)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(zhuǎn)無(wú)序且存在空位,鋰離子可在其中快速移動(dòng),導(dǎo)電性好,使離子液體在二次電池的應(yīng)用前景廣闊。Bockis等[2]合成了以吡啶陽(yáng)離子為基礎(chǔ)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(zhì)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(yáng)能電池中的應(yīng)用

離子液體的熱穩(wěn)定性及高離子導(dǎo)電率等特性使其非常適合替代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑電解質(zhì)用于光電化學(xué)太陽(yáng)能電池的電解液,且能增強(qiáng)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(yáng)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(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)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(yīng)用

燃料電池是將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制,能量轉(zhuǎn)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(gòu)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(yīng)用

離子液體作為電解液電化學(xué)沉積各種金屬、合金、半導(dǎo)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(lái)的材料,還可以通過(guò)改變離子液體的性質(zhì)和電化學(xué)參數(shù)來(lái)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(wú)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(xué)沉積也有相關(guān)報(bào)道[7]。

1.5離子液體在電化學(xué)合成中的應(yīng)用

電化學(xué)合成技術(shù)是在電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行以電子轉(zhuǎn)移為主的合成有機(jī)化合物的清潔生產(chǎn)技術(shù)。鄧友全等[8]在室溫常壓無(wú)催化劑的條件下在[bm im]BF4、[bm im]PF6、[bpy]BF4離子液體中電化學(xué)活化CO2與環(huán)氧化合物反應(yīng),合成環(huán)狀碳酸酯,離子液體重復(fù)使用 5次催化活性沒(méi)有明顯降低。

1.6離子液體在毛細(xì)管電泳方面的應(yīng)用

毛細(xì)管電泳作為很好的電化學(xué)分離手段,廣泛應(yīng)用于金屬離子、藥物、蛋白質(zhì)等的分離和檢測(cè)。但由于其硅管壁帶負(fù)電荷,能夠吸附正離子和生物大分子的正電荷部分,嚴(yán)重影響了分離效果;而離子液體的毛細(xì)管覆蓋技術(shù)可以減少吸附作用,使分離效果和重現(xiàn)性都很好。目前報(bào)道用作毛細(xì)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(yīng)用

2.1離子液體萃取有機(jī)物

離子液體蒸氣壓低,液態(tài)范圍廣,對(duì)很多有機(jī)物有顯著而不同的選擇性,在萃取分離有機(jī)物領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。如多環(huán) -N-烷基異喹啉鹽[Cnisoq]與[BFTI]結(jié)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(shí)現(xiàn)了Na2SO4和牛磺酸固體混合物的分離,?；撬岬氖章蔬_(dá)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(diǎn),非常適合用于萃取金屬離子,已成為國(guó)內(nèi)外離子液體研究的熱門(mén)領(lǐng)域。在萃取過(guò)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(lái)溶解用過(guò)的燃料回收金屬,對(duì)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(guò)水 /離子液體 /超臨界 CO2萃取鑭和銪,萃取率高達(dá) 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(guò)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(guò)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(xué)中的應(yīng)用

離子液體具有良好的溶解性能,能溶解無(wú)機(jī)物、金屬有機(jī)物、高分子聚合物。另外可根據(jù)反應(yīng)和反應(yīng)后處理需要設(shè)計(jì)調(diào)整離子液體陰陽(yáng)離子結(jié)構(gòu),使反應(yīng)在均相中進(jìn)行,后處理分層非均相操作。還可改變反應(yīng)機(jī)理,誘導(dǎo)出新的催化活性,提高反應(yīng)轉(zhuǎn)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(shù)。因此,離子液體作為新型的反應(yīng)介質(zhì)或催化劑得到廣泛應(yīng)用,如偶聯(lián)反應(yīng)、Michael加成、Diels-Alder反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、?；磻?yīng)和氧化—還原反應(yīng)、催化反應(yīng)、聚合反應(yīng)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(jìn)展,并且有些醫(yī)藥技術(shù)藉助離子液體的良好特性,可以加速反應(yīng),提高產(chǎn)品質(zhì)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(xué)中的應(yīng)用

4.1離子液體在空氣污染治理中的應(yīng)用

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

Genisson等[19]用離子液體吸附技術(shù)對(duì)含有SO2、NH3、H2S及苯污染物等室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化實(shí)驗(yàn),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(xì)菌,如Welton等[20]報(bào)道用離子液體凈化含甲醛、苯、懸浮微粒、細(xì)菌的室內(nèi)空氣,發(fā)現(xiàn)其濃度都有所降低。

近年來(lái)離子液體吸附技術(shù)用于汽車(chē)尾氣污染治理的報(bào)道很多。如Wei等[21]研究了離子液體參與的氧化/萃取同時(shí)進(jìn)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(chē)尾氣有顯著效果。另外 Wu等[23]合成了功能化離子液體對(duì)工業(yè)煙氣中的 SO2進(jìn)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(yīng)用

針對(duì)離子液體對(duì)微溶有機(jī)物及油類物質(zhì)的獨(dú)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(bào)道[25]。另外根據(jù)離子液體對(duì)水相中有機(jī)污染物的萃取規(guī)律,離子液體對(duì)印染廢水、化工制藥廢水的處理也有很大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于離子液體的可設(shè)計(jì)性,可嘗試合成適應(yīng)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(huì)降低其燃燒價(jià)值且給環(huán)境帶來(lái)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(dòng)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(duì)固廢資源的降解

含有少量無(wú)機(jī)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(dá) 95%。廢舊光盤(pán)在酸性 [bmim][AlCl4]/H2SO4介質(zhì)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(yīng)用

5.1離子液體在食品工業(yè)合成和分離中的應(yīng)用

利用離子液體合成食品工業(yè)溶劑,能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)綠色化提高催化活性。慰志蘋(píng)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(yīng)中離子液體具有催化活性,反應(yīng)選擇性為 100%,分離后離子液體重復(fù)使用 5次活性沒(méi)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(dú)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(jié)果顯示萃取效果很好。離子液體在分離生物活性物質(zhì) (氨基酸、蛋白質(zhì)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(shù)、膜技術(shù)、雙水相萃取技術(shù)相結(jié)合,不僅能使分離效率提高,而且能夠?yàn)樯锘钚晕镔|(zhì)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(yīng)用

在環(huán)境和能源危機(jī)的嚴(yán)峻形勢(shì)下,離子液體作為介質(zhì)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?jī)r(jià)值。如將廢棄油脂轉(zhuǎn)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(jìn)行大豆油脂交換反應(yīng)制備生物柴油,產(chǎn)物中脂肪酸甲酯收率可達(dá) 96.5%,離子液體可循環(huán)使用。

6離子液體在生物技術(shù)方面的應(yīng)用

離子液體以其獨(dú)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(jìn)了淀粉的結(jié)構(gòu)修飾研究,使很多功能性官能團(tuán)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(lái)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(guò)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(jī)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(jī)溶劑中,因而它們作為綠色反應(yīng)介質(zhì)成為酶催化反應(yīng)的溶劑。

7離子液體在材料科學(xué)中的應(yīng)用

近年來(lái)離子液體在材料科學(xué)領(lǐng)域也得到了深入研究。如利用離子液體中溶解少量有機(jī)分析物使其黏度迅速降低的特點(diǎn),可充當(dāng)敏感材料檢測(cè)有機(jī)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(rùn)滑材料具有很大的優(yōu)勢(shì)。而且也能解決苛刻條件下的潤(rùn)滑劑凝固、氧化分解和揮發(fā)流失現(xiàn)象,在航空、機(jī)械等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。英國(guó)研究人員將憎水性離子液體用作藥物的儲(chǔ)存劑,構(gòu)成可控藥物釋放系統(tǒng)?；陔x子液體的功能材料,如儲(chǔ)能材料、光學(xué)材料、智能材料、電學(xué)材料等,會(huì)是未來(lái)幾年研究的新熱點(diǎn)。

8結(jié)束語(yǔ)

離子液體本身獨(dú)特的理化特性,使它在電化學(xué)、化學(xué)、萃取分離等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)其種類繁多,可以根據(jù)不同需要改變陰陽(yáng)離子來(lái)調(diào)節(jié)理化性質(zhì),達(dá)到不同的應(yīng)用目的,在科學(xué)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(kāi)發(fā)存在著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏、價(jià)格昂貴、某些離子液體本身有毒且難降解等問(wèn)題,因此如何降低成本,設(shè)計(jì)合成更多對(duì)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

A

1003-3467(2010)24-0008-04

2010-12-31

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