文 献 综 述

主流观点认为，全球气候变暖是由于人类活动大量排放二氧化碳等多种温室气体，导致了常说的”温室效应”的加剧。而解决CO₂的污染问题需要在减少排放量的同时做好CO₂的处理问题。

关于CO₂的处理[1]，主要有两种方法，一是填埋地下或深海，二是转化为有用化学物质或材料（如尿素等）。无论哪种，涉及第一问题是捕集和分离。因为烟道气CO₂含量仅10-18 %，直接填埋意味80-90%的氮气一起填埋，成本太高；直接转化，杂质（如SO₂、氧气等）可能导致催化剂中毒、副反应和反应体系压力过高等问题。与填埋相比，捕集分离CO₂将之转化为有用化学物质或材料兼具节能、减排和资源化三重战略意义。

CO₂的主要捕集分离方法有吸收法、吸附法和膜分离法。目前工业上广泛采用的是用乙醇胺水溶液为吸收剂来吸收CO₂，存在的主要问题是挥发性污染、含胺水溶液腐蚀、能耗高等，因而研究开发绿色替代介质是迫切需求。换句话说，当CO₂浓度低于30%时，存在处理成本太高，稳定性差、选择性低、挥发性污染等问题。因此，如何从稀薄气体中高效、高选择性、环境友好地捕集或吸收CO₂是一个亟待解决的科学和工程技术问题。

1999年Joan Brennecke[2]在Nature中首次报道了CO₂在离子液体[bmim][PF6]中有较高的溶解度，而离子液体几乎不溶于C0₂相中；相对于传统有机溶剂在吸收二氧化碳之后的较大体积膨胀率，离子液体溶解大量的CO₂以后其体积膨胀率很小。他们[3]考察了阴阳离子结构对CO₂溶解度的影响，发现CO₂在离子液体中的溶解度受阴离子的影响较大，含-CF3基团越多的离子液体，溶解度越大；CO₂溶解度随着阳离子烷基链的增长而缓慢增大。另外，加上它的不挥发性，使得离子液体在分离CO₂方面的应用受到越来越多的关注。

常规离子液体捕集CO₂的研究中，最为常见的是基于[PF6]-、[BF4]-和双三氟甲磺酰亚胺[Tf2N]-的咪唑盐。除此之外，近年来国内外又陆续研发了一些新型室温离子液体，如醇铵盐类离子液体[4]（与咪唑盐离子液体相比，CO₂在这些离子液体中的溶解度较低）、氯化胆碱离子液体[5]（CO₂在氯化胆碱/尿素(1:2)中具有较高的溶解度，且随温度升高而降低）等。总的来说，这类离子液体对于CO₂与同类有机溶剂相比有较好的溶解性能。

另外，离子液体对于CO₂的选择性很高，表明离子液体在选择性捕集CO₂方面具有很好的潜能。Anthony[6]测定了CO₂、C₂H₄、C₂H₆、CH₄等9种气体在[C4mim][PF6]中的溶解度。发现与其他气体相比，CO₂的溶解度最大，表明该离子液体可以选择性地吸收烟气中的CO₂。

总结之，常规离子液体可以很好得溶解CO₂[7]，并对CO₂具有较好的选择性。但其存在的主要问题在于，这些离子液体与CO₂之间只是一般的物理作用，吸收量有限，无法与有机胺溶液对CO₂的吸收性能相抗衡。

James等[8]受到有机胺水溶液对CO₂化学吸收的启发，首次在咪唑阳离子的烷基链上引入碱性的-NH₂基团，合成了功能化离子液体1-(3-丙氨基)-3-丁基咪唑四氟硼酸盐[NH2p-bim][BF4]，并提出功能化离子液体与CO2的作用机理（阳离子上的氨基与CO₂以2:1摩尔比反应生成氨基甲酸盐，与有机胺水溶液的作用机理类似）。他们发现，在3h的接触时间里，CO₂在离子液体中的吸收量几乎达到了CO₂生成氨基甲酸盐的最大理论吸收量（0.5mol CO₂/mol IL），这与商用有机胺[10]（如单乙醇胺）溶液吸收CO₂的量相当[9]。另外，该功能离子液体对CO₂的吸收过程是可逆的，加热即可解吸，再生的离子液体在5次循环使用中几乎没有任何损失。

虽然常规离子液体和功能化离子液体不易挥发、结构和性质可调控范围宽、对CO₂有较好的吸收性能以及较好的选择性，但是由于离子液体的黏度较大，气液混合吸收时界面积小，不利于气体在离子液体中的溶解和扩散，阻碍了其在气体分离与纯化中的实际工程应用，必须从科学层面解决过程中的平衡和速率问题。