一种高水蒸气吸附聚离子液体吸附剂及合成方法和应用

1.本发明涉及一种高水蒸气吸附聚离子液体吸附剂合成方法，属于吸附科学与技术领域。


背景技术：

2.水蒸气吸附是干燥、海水淡化、吸附储热等领域的重要问题，开发具有高水蒸气吸附能力的吸附剂成为这些领域的主要目标。硅胶、分子筛、无机水合盐、金属有机骨架及离子液体等传统吸附剂在某些方面表现出优异的水蒸气吸附储热性能，但是同时存在的固有缺点极大限制了其发展与实际应用，因此亟需新型高效的水蒸气吸附剂体系。
3.离子液体是由阴阳离子组成的且在100℃以下呈现熔融状态的有机盐，被媒体认为是“二十大未来最有潜力的新材料”之一。离子液体具有结构可调性，可以引入特定性能的官能团合成含有特定功能的离子液体，同时，无论是亲水性离子液体还是疏水性离子液体，它们中的大部分都具有极强的吸水性，而且离子液体具有良好的热稳定性和环境友好性，离子液体这些优异的物理化学性质有望使其成为理想的水蒸气吸附剂，因此近些年来备受吸附储热研究领域的关注。虽然离子液体具有较高的水蒸气吸附能力，但是其粘度大及与水蒸气接触面小，降低了离子液体体系中的传热传质甚至吸附速率，并且其液体形态容易和其他物质形成混合物而难以分离。
4.聚离子液体是一种由不饱和离子液体单体通过聚合形成的固体聚合物材料，在聚合物电解质、co2吸附、催化、导电及微波吸收等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。聚离子液体不仅具有和离子液体相似的化学稳定性、热稳定性、高导电性和结构可调性，同时也表现出聚合物固有的机械稳定性、柔性、及孔隙结构可调节性，能够克服传统离子液体吸附剂水蒸气吸附量低及易泄露的缺点，极有希望应用于发展新型高效水蒸气吸附技术。


技术实现要素：

5.针对已有技术不足，本发明提供了一种高水蒸气吸附聚离子液体吸附剂合成方法，其目的在于。
6.本发明的技术方案：
7.一种高水蒸气吸附聚离子液体吸附剂合成方法，主要包括以下步骤：
8.(1)离子化：以n-乙烯基咪唑和液化一卤甲烷为原料，通过季铵化反应制备卤化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，其中n-乙烯基咪唑和液化一卤甲烷的摩尔比为0.80-1，反应温度为50-100℃，反应时间为4小时-12小时；
9.(2)离子置换：向卤化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体中加入乙酸铵，通过离子置换反应获得乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，其中卤化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体和乙酸铵的摩尔比为0.85-1，反应温度为30-80℃，反应时间为1小时-6小时；
10.(3)聚合：将乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体溶解在二甲基甲酰胺中，并加
入偶氮二异丁腈，通过聚合反应将乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体合成为聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，其中反应体系中二甲基甲酰胺的质量比例在10％-50％之间、偶氮二异丁腈的质量比例在0.5％-2％之间；
11.(4)产品净化：将步骤(3)所得产物浸泡在乙醇中2-6小时，使得乙醇刚好没过该产物，利用乙醇替换产物中的二甲基甲酰胺和偶氮二异丁腈等杂质，然后进行过滤，将所得固体继续进行上述操作2次，然后将过滤后所得固体在50-100℃干燥4-8小时彻底去除残余的乙醇，得到纯净的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体。
12.其中，一卤甲烷包括一氯甲烷、一溴甲烷、一碘甲烷中的一种。
13.其中，步骤(3)中的聚合反应可利用微波聚合、紫外聚合和热聚合等方式，紫外聚合条件为25℃，紫外有效波长为365nm，功率为6-12w，紫外光强度为200-600mw/cm2，紫外聚合时间为60-240min；微波聚合条件为微波功率为100-400w，微波辐射时间为60-120s，微波辐射程序为启停各5-10s交替进行；热聚合条件为60-100℃加热120-240min。
14.其中，根据本发明技术方案制备的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体中乙酸阴离子和1-乙烯基-3-甲基咪唑阳离子的摩尔比为0.95-1.0，聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体产物纯度大于90％。
15.本发明的效果和益处是：一种高水蒸气吸附聚离子液体吸附剂合成方法，通过离子化、离子置换、聚合、产品净化四个步骤，实现了具有高水蒸气吸附能力的固体聚离子液体吸附剂的制备。有别于现有的聚离子液体，该聚离子液体单体具有较短的碳链和重复排列的醋酸负离子，具有较高的水蒸气吸附能力，可以广泛应用于干燥、除湿、吸附储热、吸附法海水淡化及污水处理等领域。该聚离子液体吸附剂作为一种多孔固体，克服了离子液体易泄露、易污染、易流动等缺点，适宜于大规模工业化应用。
具体实施方式
16.以下技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
17.实施例1
18.一种高水蒸气吸附聚离子液体吸附剂合成方法，主要包括以下步骤：
19.(1)离子化：以1摩尔(94.12g)n-乙烯基咪唑和1摩尔(50.49g)液化一氯甲烷为原料，通过季铵化反应制备氯化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，反应温度为80℃，反应时间为8小时；
20.(2)离子置换：向所得氯化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体中加入1摩尔(77.08g)乙酸铵，通过离子置换反应获得乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，反应温度为70℃，反应时间为3小时；
21.(3)聚合：将所得乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体(约170g)溶解在114g二甲基甲酰胺中，并加入1.43g偶氮二异丁腈，通过聚合反应将乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体合成为聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，聚合方法采用热聚合法，热聚合条件为80℃加热180min，其中反应体系中二甲基甲酰胺的质量比例为40％、偶氮二异丁腈的质量比例为0.5％；
22.(4)产品净化：将步骤(3)所得产物浸泡在300g乙醇中4小时，使得乙醇刚好没过该产物，利用乙醇替换产物中的二甲基甲酰胺和偶氮二异丁腈等杂质，然后进行过滤，将所得
固体继续进行上述操作2次，然后将过滤后所得固体在80℃干燥6小时彻底去除残余的乙醇，得到纯净的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体。
23.根据该实施例制备的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体产物中乙酸阴离子和1-乙烯基-3-甲基咪唑阳离子的摩尔比为0.99，聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体产物纯度为98％。
24.利用动力蒸汽吸附仪对聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体的水蒸气吸附能力进行了测试，测试条件为25摄氏度，本实施例制备的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体在90％相对湿度下的饱和吸附量为1.26g/g。
25.实施例2
26.一种高水蒸气吸附聚离子液体吸附剂合成方法，主要包括以下步骤：
27.(1)离子化：以0.5摩尔(47.06g)n-乙烯基咪唑和0.5摩尔(47.47g)液化一溴甲烷为原料，通过季铵化反应制备溴化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，反应温度为60℃，反应时间为10小时；
28.(2)离子置换：向所得溴化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体中加入0.5摩尔(38.54g)乙酸铵，通过离子置换反应获得乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，反应温度为40℃，反应时间为5小时；
29.(3)聚合：将所得乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体(约85g)溶解在21.8g二甲基甲酰胺中，并加入2.18g偶氮二异丁腈，通过聚合反应将乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体合成为聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体，聚合方法采用紫外聚合法，紫外聚合条件为25℃，紫外有效波长为365nm，功率为8w，紫外光强度为400mw/cm2，紫外聚合时间为180min，其中反应体系中二甲基甲酰胺的质量比例为20％、偶氮二异丁腈的质量比例为2％；
30.(4)产品净化：将步骤(3)所得产物浸泡在150g乙醇中4小时，使得乙醇刚好没过该产物，利用乙醇替换产物中的二甲基甲酰胺和偶氮二异丁腈等杂质，然后进行过滤，将所得固体继续进行上述操作2次，然后将过滤后所得固体在60℃干燥8小时彻底去除残余的乙醇，得到纯净的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体。
31.根据该实施例制备的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体产物中乙酸阴离子和1-乙烯基-3-甲基咪唑阳离子的摩尔比为0.96，聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体产物纯度为95％。
32.利用动力蒸汽吸附仪对聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体的水蒸气吸附能力进行了测试，测试条件为25摄氏度，本实施例制备的聚乙酸化1-乙烯基-3-甲基咪唑离子液体在90％相对湿度下的饱和吸附量为1.18g/g。