离子液体为介质分离低碳烃混合物的基础研究

Light hydrocarbons are important basic materials in the chemical engineering industry. The separation of the mixture of different light hydrocarbons is one of the key processes in the production of basic chemicals and maximum utilization of fossil resources. The current separation methods such as distillation and absorption have problems including high energy cost and low selectivity. In order to improve the selectivity and reduce the cost in separating light hydrocarbon mixtures, based on the “designable solvent” feature and ultra-low volatility of ionic liquids (ILs), this project will focus on the following points: intermolecular interactions between IL and light hydrocarbon and quantitative structure-property relationship; gas-liquid equilibrium of IL plus light hydrocarbon biphasic systems; diffusion of light hydrocarbon in ILs; the structure and mass transport at IL-gas interface. After that, a novel method for separating the light hydrocarbon mixtures using ILs will be established. The application team has a good accumulation of research in the separation of structure-related compounds, the design and synthesis of ILs, and the separation of gases. It is expected that the results will be instructive for the development of separation science and green chemical engineering.

低碳烃是化学工业的重要物质基础，低碳烃混合物的分离是大宗基础化学品高效制备与油气煤资源综合利用中的关键过程之一。现有分离方法如精馏、有机溶剂吸收等存在能耗高、分离选择性低的不足。本项目拟针对低碳烃混合物的分子特性，利用离子液体结构和性质可精细调控、几乎不挥发的特点，以提高低碳烃混合物分离选择性、降低过程物耗和能耗为目的，围绕分子间作用机理和本体/界面传递规律等关键科学问题，对低碳烃与离子液体之间的相互作用机理和定量构效关系、低碳烃-离子液体两相体系气-液相平衡、低碳烃在离子液体中的扩散规律、及离子液体气-液界面结构和界面传递规律等化工分离基础问题展开深入研究。在此基础上，建立以离子液体为介质选择性分离低碳烃混合物的新方法。课题组在结构相似混合物分离、离子液体设计合成、气体分离及其机理等方向已有多年的研究工作积累。预期研究成果将对分离科学和绿色化工过程的发展作出贡献。

低碳烃是化学工业的重要物质基础，低碳烃混合物的分离是大宗基础化学品高效制备与油气煤资源综合利用中的关键过程之一。现有分离方法如精馏、有机溶剂吸收等存在能耗高、分离选择性低的不足。本项目针对低碳烃混合物的分子特性，利用离子液体结构和性质可精细调控、几乎不挥发的特点，以提高低碳烃混合物分离选择性、降低过程物耗和能耗为目的，围绕低碳烃与离子液体相互作用机理和定量构效关系、低碳烃-离子液体两相体系气-液相平衡、离子杂化材料构建与分离性能等化工分离基础问题展开了深入研究，实现了若干代表性低碳烃混合物体系的高选择性分离，推动了以离子液体为介质选择性分离低碳烃混合物新方法的建立。. 项目主要研究了长链羧酸功能化离子液体的结构-性质关系，包括直链羧酸离子液体的结构-性质关系以及支链羧酸离子液体的结构-性质关系，获得了氢键碱性强、两亲性好、可形成自组装结构的新型离子液体。结合量化计算得到的表面屏蔽电荷面积描述符和SVM等算法建立了含有不同种类离子液体的粘度预测模型和热容预测模型，扩展了粘度预测范围。考察了低碳烃与离子液体之间的相互作用，研究了低碳烷烃和氮气在功能化离子液体中的溶解和分离性能，以及离子液体对碳四混合物的分离纯化性能，提高了对低碳烷烃和1,3-丁二烯的溶解度和分离选择性。提出了以离子型杂化多孔材料为介质分离乙烯/乙炔的方法，获得历史最高的分离选择性和乙炔吸附容量。进一步拓展研究了不同类型离子液体对氨气的吸收性能及其机理，兼具高容量、高选择性、可循环再生等优点。. 项目共发表学术论文86篇，申请相关发明专利49项。项目成果有助于开发绿色、高效、低耗的低碳烃分离新工艺，为建设循环经济、实现社会可持续发展提供化学工程基础。对其它结构相似物质分离过程的研究也有借鉴意义。