离子液体在分离中的应用研究进展

摘要:室温离子液体作为一种重要的绿色溶剂,由于在金属离子、小分子有机物的萃取分离,气体吸附分离以及作为液相和气相色谱固定相等许多分离过程中体现出高分离效率和高选择性的特点,正在成为分离科学研究的前沿领域。文章总结了室温离子液体在分离科学领域中的应用进展,并对其应用领域和发展前景做了展望。

关键词:离子液体 分离 进展

目前研究的离子液体的阳离子主要有1,3-二烷基取代的咪唑离子(简记为[R1R3Im]+)、N-烷基取代的吡啶离子[RPy]+、烷基季铵离子[NRxH4-x]+和烷基季鳞离子[PRxH4-x]+等四类,如图1所示,阴离子主要包括BF4-、PF6-、Tf2N-、TA-、NO-、EtSO4-等。本文拟对离子液体在萃取分离领域应用概况作一介绍(如图1）。

1 离子液体萃取分离有机物

Guo等人[4]利用双水相体系设置三步萃取,巧妙地把离子液体应用到青霉素的萃取分离过程中。第一步通过Na2HPO4构造I-PEG的双水相溶液,把青霉素高效萃取到I-PEG相。第二步,把憎水性的离子液体[Bmim]PF6引入到双水相中,调节pH8～9,从青霉素中萃取I-PEG。第三步,通过调节pH5.5～6,把[BmIm]PF6相中的I-PEG释放到水相中。此过程也是绿色清洁过程,能够有效回收利用离子液体和I-PEG。

2 离子液体在萃取分离金属离子的应用

最早使用离子液体进行金属离子的萃取研究的Visser等人。他们用离子液体作溶剂,以二环己-18-冠-6为萃取剂,将Na+、Cs+、Sr+,从水溶液萃取到1-烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐[Cnmin][PF6](n=4,6)中。其研究结果表明:以离子液体为萃取溶剂的液一液分离中,最终金届离子的分配系数取决于萃取剂的疏水性和水棚的组成。离子液体的疏水性不仅对其溶解反应物很重要,而且对其用作溶剂萃取回收产品也有影响。离子液体巾水的含量影响反应速度和反应选择性。水在离子液体中溶解度是影响离子液体工业应用的重要因素之一。离子应用一个潜在的问题是离子液体可能通过废水进入环境。所以,在萃取分离金属离子时,萃取溶剂最好选用与水不溶且对被萃取金属又易溶的离子液体。与传统溶剂的性能相比,离子液体表现出不寻常的性能和复杂的分配机理。Visser等人为进一步开发离子液体在金属离子萃取分离

小的应用,采用了其他一些常用的有机、无机萃取剂,将Hg2+、Cd2+、Co2+、Ni2+萃取到离子液体中。实验证明:金属离子埘疏水相的亲和力必须依靠萃取剂来实现。Cun等以二环己基-l8-冠-6为萃取剂,报告了一系列离子液体[Cnmin][PF6](n=4～9)为萃取溶剂对竞争性强碱金属盐苹取的选择性和效率的研究。实验表明离子液体中烷基结构不同其选择性和萃取性亦不同。在使用离子液体分离金属离子的研究中,虽然离子液体还存在着一些不足:如离子液体的黏度大,扩散慢,影响萃取分离的效率;有机溶剂随水栩的夹 糟流失导致成本增加;萃取后的金属溶液受到了有机化合物的污染;以及离子液体萃取剂与被 取物分离困难等等。但其绿色和高效的特点已经引起人们的注意。

3 离子液体在萃取生物分子中的应用

离子液体还被应用于生物萃取过程,从水溶液中提取出有机生物燃料。Yulia等研究了浓缩的离子液体[Bmim][BF4]作为流动相用于分离核酸。氨基酸,Trp,Gly,Ala,Leu在pH=1.5～4.0(Lys和Arg在pH1.5～5.5)下被有效地从水溶液中萃取到含二环已烷-18-冠-6的[Bmim][PF6]离子液体中,亲水能力强的氨基酸和亲水能力弱的氨基酸萃取效率一样好(92％～96％),在萃取过程中氨基酸和冠醚的比率为1/1(Leu,Ala和Gly),双正离子Arg和Lys的为1/2。该离子液体萃取系统成功用于从药用样品和发酵池中回收氨基酸,并可用荧光测定法测定。刘庆芬等成功利用离子液体的双水相体系萃取了青霉素。顾彦龙等采用离子

液体和醇的互溶体系,实现了牛磺酸和Na2SO4两种在生产中共生的固体混合物的分离。

4 离子液体在气体分离体系中的应用

Brennecke[9]等考察了几种不同的气体在[C4mim][PF6]中的溶解性,顺序依次为C2H4≈C2H6>Ar≈O2>>H2,N2≈CO,因此可有效的用于CO2同H2,N2及CO混合气体的分离。在考察气体在单一离子液体中的溶解性及热力学性质工作的基础上,Shen[10]等发现聚合离子液体对气体亦存在较强吸附作用,将3种不同聚合离子液体(图2)聚[1-(4-乙烯基苄基)-3-丁基咪唑四氟酸]

P(VBIT)、聚[1-(4-乙烯基苄基)-3-丁基咪唑六氟磷酸]P(VBIH)、聚[1-(2-甲基丙烯酰氧)乙基-3-丁基咪唑四氟硼酸]P(BIMT)同[C4mim][BF4]及相应离子液体单体(VBIT,VBIH,BIMT)对CO2的吸附情况进行了比较,结果表明聚合离子液体吸附量最大,依次相当于[C4mim][BF4]的2.1,1.7,1.4倍;BIMT与[C4mim][BF4]相近,而VBIT与VBIH对CO2几乎没有吸收。以上离子液体对气体的吸附主要依赖于分子之问较强的物理吸附作用。

5 结论与展望

离子液体在分离领域最新的研究进展中,探索其高效性和高选择

性仍然是今后研究的核心问题,努力探索其工业化应用也是一个重要的内容。今后,下述领域将是分离科学研究的主要方向:(1)设计和合成粘度低、任务专一、高效功能化离子液体;(2)选择合适的载体将离子液体固定,探索分离新模式;(3)深入探讨亲水性离子液体一盐双水相体系回收离子液体的方法;(4)在实验室研究的基础上,逐渐完善工程化应用的数据库,创建若干离子液体的工业应用示范项目,建立一个动态的有效的评估方法。

参考文献

[1]闻有旺.新型绿色溶剂-室温离子液体[J].化工环保,2004,24(6)56～62.

[2]李汝雄,王建基.绿色溶剂-离子液体的制备与应用[J].化工进展,2002,1:41～48.

[3]ANTHONY J L,MAGINN E J,BRENNECKE J F. [J].J Phys Chem B,2002,106:7315～7320．