離子液體的制備及應用

離子液體的制備及應用

1離子液體的發(fā)展離子液體，也稱為溫室離子液體、溫室離子液體和有機離子液體。離子液體從最初的雛形、逐漸成熟,到今天的功能化和工業(yè)化設計階段,其發(fā)展經(jīng)歷了近百年的歷史。早在1914年,Walden進入21世紀,離子液體的研究開始向功能化方向發(fā)展。根據(jù)離子液體性質可調的特性,從特定的需求出發(fā),設計合成具有特定性質和功能的離子液體,如堿性或酸性離子液體、具有特殊官能團的離子液體、具有特殊溶解性的離子液體、含DNA和氨基酸的離子液體等。而離子液體的應用領域,也從最初的電化學、催化化學、有機合成迅速發(fā)展到納米材料、資源環(huán)境和生物醫(yī)學等領域。至此,離子液體在經(jīng)歷了三氯化鋁體系(20世紀90年代以前)、耐水體系(20世紀90年代至2000年左右)后,正在向功能化體系和工業(yè)化設計邁進(21世紀),離子液體制備與應用研究進入了迅速發(fā)展的時代。2性質與認識的研究離子液體之所以能夠迅速崛起,并引起世界各國研究人員的高度關注,主要與其獨特的性質有關。離子液體的物理化學特性如熔點、黏度、密度、親水性和熱穩(wěn)定性等,可以通過選擇合適的陽離子和陰離子調配,在很寬的范圍內加以改變2.1陽離子改變用藥離子液體要求熔點低,在室溫為液體。離子液體的熔點可以通過調節(jié)陰離子或陽離子的組成加以改變。大的陰離子和陽離子的作用力小,熔點低;陽離子電荷分布均勻,則熔點也低;陰離子和陽離子結構的對稱性越低,離子間相互作用越弱,熔點也低,如取代咪唑陽離子結構對稱時的熔點比不對稱時要高。2.2取代基咪唑陽離子的密度離子液體的密度與陰、陽離子都有關系。隨著有機陽離子的變大,密度變小;隨著陰離子的變大,密度變大。比較含不同取代基咪唑陽離子的氯鋁酸鹽密度發(fā)現(xiàn),密度與咪唑陽離子上N-烷基鏈長度呈線性關系,隨著有機陽離子變大,離子液體的密度變小。因此,設計不同密度的離子液體,首先通過選擇相應的陰離子來確定大致范圍,然后再選擇陽離子對密度進行微調。2.3萃取劑的功能離子液體對大量的無機物和有機物,以及聚合物都有良好的溶解能力,并具有溶劑和催化劑的雙重功能,可用作萃取和反應介質。有研究表明,隨著離子液體中季銨陽離子側鏈的增大,非極性增加,其溶解性也隨之變大。因此,改變陽離子的烷基可以調整離子液體的溶解性。大多數(shù)離子液體的介電常數(shù)超過一特征極限值時,其與有機溶劑是完全混溶的。2.4施工中的損傷離子液體的黏度取決于氫鍵和范德華力,可通過陰、陽離子來調節(jié)。陽離子及其結構是主要的影響因素,如[Emim]2.5堿性離子液體的酸堿性主要由陰離子決定。含氯代鋁酸鹽的室溫離子液體表現(xiàn)出路易斯酸堿的化學行為,Cl2.6離子液體輔助的雙水相色譜法離子液體的生物可降解性取決于陽離子上烷基的側鏈,具有吡啶單元的化合物很難降解,具有咪唑結構的化合物在微生物的作用下易分解。由于離子液體具有以上這些特殊的性能,因此被認為是繼超臨界流體和雙水相之后的第三種綠色溶劑。目前在材料科學、生物工程、分析化學和環(huán)境科學等領域都開始進行深入的研究。3制備新纖維的應用在紡織領域,離子液體的低揮發(fā)性、高極性、優(yōu)良的穩(wěn)定性、強溶解性和生物兼容性,都可以用于催化染料和中間體等有機物的合成,溶解無機物和有機物來制備新型纖維,以及重金屬和酚類產(chǎn)品的分離和性能分析等。3.1前處理和染色中的離子液體3.1.1雙氧水基質元素水活化離子液體活化活化劑雙氧水用作漂白劑,處理過程容易控制,能使紡織品產(chǎn)生均勻而良好的漂白效果。但在低溫下雙氧水的漂白能力變差,利用率降低。因此,現(xiàn)在有較多研究集中在加入低溫漂白活化劑,希望能夠獲得較好的漂白效果。其中,研究和開發(fā)活化雙氧水漂白性能的離子液體,對拓寬離子液體的應用和活化劑種類有很現(xiàn)實的意義。河北科技大學的王亞楠和吳軍玲在前期工作的基礎上,設計并制備了含有活性官能團—COOH的功能化離子液體(其獨特的官能團結構能夠與雙氧水結合,形成更具漂白活性的物質);并以該離子液體-雙氧水為漂白體系,對純棉織物進行漂白3.1.2羊毛織物的染色性能提高了染色性能羊毛纖維具有鱗片層結構,鱗片層中的胱氨酸還含有大量二硫鍵,將蛋白質連接成為網(wǎng)狀結構,具有極高的化學穩(wěn)定性和強疏水性,導致染料對纖維的表面吸附和內擴散速率緩慢經(jīng)過離子液體預處理后羊毛表面鱗片層被部分破壞,親水性和孔隙增大,對染料的親合力和內擴散性得到提高,提高了羊毛的染色性能。湖南工學院的汪南方和翦育林3.1.3離子液體緩染劑的應用腈綸纖維在用陽離子染料染色時,由于染料陽離子與纖維上的陰離子基團能較快地形成牢固的離子鍵結合,導致染料的移染性和勻染性很差。為此,腈綸纖維染色時,常用相對分子質量為300~500的含長鏈烷基的三甲基季銨鹽類陽離子緩染劑,以改善其勻染性能試驗還發(fā)現(xiàn),加入離子液體后,染料在腈綸纖維中的擴散活化能隨其疏水性碳鏈長度的增加而逐漸下降?；罨茉礁?說明染料的上染對溫度越敏感。由此可見,染料上染腈綸對溫度的敏感性隨著離子液體疏水性碳鏈長度的增加而減弱。因此,疏水性相對較強的C3.1.4脫膠方法的影響桑蠶絲是由絲素和絲膠組成的蛋白質纖維,絲膠的存在會影響蠶絲后續(xù)的染色性能,因此需要對蠶絲進行脫膠處理。常規(guī)的脫膠方法包括皂堿法脫膠和酶法脫膠。皂堿法能有效地促進絲膠的膨潤和溶解,但對桑蠶絲的損傷也比較大;酶脫膠是利用酶將絲膠蛋白分解而達到脫膠的目的,但酶法脫膠需要考慮蛋白酶的活性及嚴格控制溫度。對于脫膠后的桑蠶絲,除了需要考慮絲膠脫除的效果,還得兼顧白度和蠶絲表面損傷等情況。遼東學院化工與材料學院的程德紅3.1.5離子液體對纖維結晶的影響苧麻纖維是初生韌皮纖維,具有楊氏模量高、聚合度大、單纖強力大等特點,但在穿著過程中,與皮膚接觸時易產(chǎn)生刺癢感。離子液體作為一種溶劑,可以通過對纖維結晶區(qū)的局部溶脹和纖維表層的溶解,達到對纖維改性的目的。成都紡織高等專科學校的李強林等人德國西北紡織研究中心(DTNW)研究證明3.2染整加工人員對無甲醛免燙整理劑的態(tài)度20世紀80年代開始,隨著人們對甲醛危害人體健康認知程度的逐漸加深,一些國家相繼制定標準,限制紡織品上的甲醛釋放量。同時,由于市場對免燙織物需求量的劇增,迫使染整工作者們思考更為環(huán)保的無甲醛免燙整理劑。目前研究較多的是多元羧酸類整理劑,其中效果最突出的是1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA),雖然其存在價格高昂、合成步驟冗長的問題,但因極強的反應性、較好的耐久壓燙性能以及環(huán)境友好性,已經(jīng)成為最有潛力的一款新型免燙整理劑。由于離子液體在加熱時對纖維素纖維具有溶脹以及改變晶型的作用,因此,可以利用離子液體對棉織物的溶脹作用,使BTCA更好地進入棉織物內部,來提高BTCA與織物的反應性。東華大學程誠等人3.2.2抗靜電整理絲綢和織物滌綸纖維由于含潮率低,在常規(guī)服用條件下極容易產(chǎn)生靜電,通常需要進行抗靜電整理。西安工程大學的肖葉群等人河南工學院的汪青3.2.3抗毛織物羽毛的羽毛分類張莉等人3.3離子液體在萃取分離金屬離子中的應用隨著市場消費安全意識的不斷增強,以德國為代表的歐盟成員國對于玩具、服裝、鞋靴等消費品中的有害化學成分日益關注,特別是兒童用品中的增塑劑和重金屬、紡織品中的禁用偶氮染料和DMF(富馬酸二甲酯)、皮革制品中的SCCP(短鏈氯化石蠟)和六價鉻等,更是成為消費品不合格的通報焦點。禁用偶氮、DMF和SCCP等有害化學品也相繼被列入歐盟REACH法規(guī)的限制清單,限量也不斷趨嚴離子液體對無機和有機材料具有選擇性的溶解能力,與一些有機溶劑不互溶,可以提供非水的極性可調的兩相體系,使其在液液萃取、液相微萃取、固相微萃取、離子液體/超臨界CO如LiuJingfu等人同時,離子液體對酚類物質萃取也有廣泛的應用。付新海等人離子液體/螯合萃取分離金屬離子,則是利用螯合劑與帶電的離子通過配位鍵生成電中性、穩(wěn)定、易溶解于萃取劑的螯合物,經(jīng)傳質進入萃取相,從而與原基質分開的一種分離方法,而離子液體的非配位或弱配位的性質適合用作螯合萃取的萃取溶劑。因此,利用離子液體/螯合萃取來萃取分離金屬離子效果非常明顯。Visser等人疏水性離子液體還可以用于染色廢水的脫色。LiCP等人由于離子液體能夠對無機物、有機物、聚合物等不同物質具有良好的溶解性,克服了傳統(tǒng)溶劑在使用過程中的缺點,因此,在萃取分離中有著良好的應用前景。但萃取分離過程中,離子液體的陰離子或陽離子有可能會部分溶于水相,從而造成其自身的損失。3.4離子液體的回收技術盡管離子液體具有非常優(yōu)異的性能,但其合成成本卻較高,在進行工業(yè)化生產(chǎn)時必須進行有效的循環(huán)利用,以降低成本離子液體主要有親水性離子液體和疏水性離子液體兩大類,二者的回收方法也存在一定的差異。一般來說,親水性離子液體回收比較困難,大多都是利用離子液體的低蒸汽壓,采用減壓蒸餾的方式去除其中的雜質。但是如果混入的是難揮發(fā)性的雜質,減壓蒸餾則不能將雜質除去。目前對于這類離子液體都是通過添加合適的溶劑,使其形成雙水相體系后再進行離子液體的回收。疏水性離子液體的回收相對來說比較簡單,一般都是根據(jù)離子液體不溶于特定的有機溶劑,向其中加入乙醚等有機溶劑將雜質萃取出來。研究發(fā)現(xiàn),采用減壓蒸餾的方式可回收99%以上的離子液體,回收后再次溶解纖維素的能力接近于原離子液體,均相合成醋酸纖維素的取代度也與第一次相同反應條件下的產(chǎn)品相仿,但其能耗非常大,不適合工業(yè)化應用。Ma等但是,在未來大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)中,應找到其他更實用的方法,如納濾、反滲透、預汽化、析鹽、使用活性炭、樹脂交換、膜濃縮和減壓蒸餾相