使用室温离子液体分离CO2和H2S[bmim] [MeSO4]外文翻译资料

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使用室温离子液体分离CO₂和H₂S[bmim] [MeSO₄]

J. Chem. Eng. Data 2010, 55, 4785–4793

Mark B.Shiflett，Anne Marie S. Niehaus，和A. Yokozeki

杜邦中央研究与开发实验站，威尔明顿，特拉华州19880和109-C国会

Drive，Wilmington，Delaware 19807

引言

我们已经开发了二氧化碳/硫化氢/ 1-丁基-3-甲基咪唑的三元方程（EOS）模型甲基硫酸盐（[bmim] [MeSO₄]）体系，以了解使用室温分离这些气体离子液体（RTIL）。目前的模式是基于经验的经修改的RK（Redlich-Kwong）EOS每个二进制系统的交互参数。相互作用参数已经用我们确定和测量了的H₂S/[bmim] [MeSO₄]的VLE（气 - 液平衡）数据和CO₂/[bmim] [MeSO₄]和CO₂/ H₂S。由于H₂S / [bmim] [MeSO4]的VLE数据有限，我们也使用了VLLE（气 - 液 - 液体平衡）测量来构建EOS模型。用于H₂S /[bmim] [MeSO₄]是高度不对称的，具有窄（（0.97和0.99之间的摩尔分数H₂S）LLE间隙这是文献中报道的第一例，呈现V型相的行为van Konynenburg和Scott的分类。三元EOS模型的有效性已被检查CO₂/ H₂S/[bmim] [MeSO₄]体系进行VLE实验。使用这种EOS模型，溶解度已经针对各种（T，P和饲料组成）条件计算了（VLE）行为。对于大（9/1）和中等（1/1）CO₂/ H₂S 进料比， CO₂/ H₂S气体选择性高（10-13）在不存在离子液体的情况下lt;4.5）并且几乎不依赖于添加的离子液体的量。对于小CO2 / H2S摩尔比（1/9）在298.15 K时，增加离子液体浓度会增加 CO₂/ H₂S气体约7.4〜12.4的选择性。因为对于CO₂/ H₂S 没有VLE存在没有离子液体的二元系统来说，对于高温（313.15 K）和大二氧化碳/ H₂S进料比，离子液体的添加提供了唯一的分离方法。

介绍

硫化氢（H₂S）和二氧化碳（CO₂）通常从天然和合成气体中除去使用有机碱的水溶液进行化学吸收如单胺，胺混合物或胺的混合物和一种氨基酸的盐。^【1，2】广泛的研究一直是分为几组在链烷醇胺水溶液中进行，特别是单乙醇胺（MEA），二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇胺（MDEA）治疗和增甜。^【3-13】典型的过程包括H₂S和CO₂在包装中的竞争化学吸收柱在低温（优选环境温度）和高达约4MPa或更高的压力。气体在升高的温度下发生解吸或溶剂再生（通常为（350〜400）K左右）和低压使用剥离柱。水溶液的缺点链烷醇胺包括再生期间胺的损失，将水转移到气流中，胺的降解形成腐蚀性副产品，需要高温解吸，低温高压吸收，所有这些使得该方法经济上昂贵。

已经提出了室温离子液体（RTIL）用于捕获气体如二氧化碳。几种溶解度研究的二氧化碳已被报道。^【14-27】但是，只有少数研究人员已经研究了二元相PTx（压力 - 温度 - 组成）H₂S在离子液体中的行为。^【28-32】Jou和Mather28报道了H₂S 的第一个溶解度数据1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[bmim] [PF₆]）在（298.15至403.15）K的压力和压力9.6 MPa。 Pomelli等^【29】测定了H₂S的溶解度不同的咪唑鎓离子液体与各种阴离子和一系列双（三氟甲基）磺酰亚胺（Tf₂N）基离子液体与各种阳离子在298.15K和1400kPa。Heintz等人^【30】尝试测量二氧化碳的溶解度离子液体中的N₂ / H ₂S与铵阳离子的混合物和氯化阴离子（300〜500）K，压力高达（0.23和3.0）MPa，分别为H₂S和CO₂;然而，离子液体的结构未知，近似假设计算化学式摩尔分数溶解度。

最近，Jalili等^【31】测量了三种H₂S的溶解度RTILs（[bmim] [PF₆]，[bmim] [BF₄]和[bmim] [Tf₂N]）从（303.15至343.15）K，压力高达1 MPa。在每种情况下， H₂S溶解度远高于CO₂溶解度。例如，亨利定律常数在298K时对于二氧化碳和 H₂S在RTIL（[bmim] [PF₆]）中的MPa）分别为（5.17和0.143）。^{【17，31】}亨利定律的这个差异很大表明这些气体的选择性捕获和分离可能使用离子液体。这促使我们发布我们的第一篇关于使用 CO₂/ H₂S分离的论文[bmim] [PF₆]离子液体。^【32】我们得出结论，[bmim] [PF₆]是不一定是气体分离或捕获CO₂和H₂S的最佳选择。这个选择只是一个演示我们测量和建模三元VLE行为的方法。然而，离子液体确实会影响气体选择性，我们继续努力寻找更多用于分离CO₂/ H₂S的最佳离子液体。

在本研究中，我们首次测量三元 CO₂/ H₂S/[bmim] [MeSO₄]的相位行为，并模拟行为使用我们的三次方程（EOS）方法。^{【14-17，32-34】} 三元EOS是基于每个的交互参数二进制。 H₂S / [bmim] [MeSO₄]的VLE数据为由于Hiden发生故障而局限于单一等温线微量天平，因此也使用了VLLE测量开发EOS二进制参数。用于 CO₂/ H₂S和CO₂/ [bmim] [MeSO₄]的交互参数来源于我们以前的报告^{【32，43】}和文献数据^{【13，35】}。

为了检查三态EOS的有效性，VLE实验对于 CO₂/ H₂S/[bmim] [MeSO₄]体系各种T，P和饲料组成以及EOS有效性，都进行了令人满意地证实。然后，CO₂/ H₂S选择性地没有与RTIL [bmim] [MeSO₄]在几种进样中计算T和P条件。基于目前的三元相位计算对于使用这种RTIL的选择性优势进行了讨论。

实验部分

1.材料

硫化氢（摩尔分数纯度gt; 0.995，CAS号7783-06-4）和二氧化碳（摩尔分数纯度gt; 0.9999，CAS号124-38-9）购自MG工业（宾夕法尼亚州费城）。硫化氢是被分类为极其危险的气体，并且使用时必须谨慎处理。硫化氢是易燃和高度有毒的（8至12）h，容许暴露极限（AEL）为10ppm时。在我们的实验中，H₂S气瓶和样品是经常处理并存放在通风罩中。适当的个人准备和处理时所佩戴的防护装备样品和所有材料都要通过焚烧处理。硫化氢具有强烈的气味，易于检测（0.0047ppm气味阈值）。然而，已知的灵敏度的损失是在初次暴露后发生，并且适当的预防措施是必需的。^【32】[bmim] [MeSO₄]（C9H18N2O4S，批号：99/851，CAS号401788-98-5）溶剂创新（现为EMD Chemicals Inc.，Gibbstown，新泽西州）。图1提供了化学结构。将[bmim] [MeSO₄]离子液体样品干燥并脱气，首先将样品放置在硼硅酸盐玻璃管中并拉出带隔膜泵的样品上的真空度（型号：MVP055-3，Pfeiffer）约3小时。接下来，样品完全使用涡轮泵（型号：TSH-071，Pfeiffer）撤离至a压力约5·10^-3kPa，同时加热在约348K的温度下搅拌离子液体2天。最终含水量由Karl Fischer测量滴定（Aqua-Star C3000，AquaStar Coulomat C和A），离子液体含有约600·10^-6水（质量基准）。

2.二进制VLE测量

在这项工作中，我们测量了H₂S在[bmim] [MeSO₄]中的气体溶解度，以重量法用微量天平（型号：IGA 003，Hiden Isochema Ltd.）测定。我们以前的报告中给出了详细实验设备VLE及程序说明.^{【17，36】}Hiden虽然在测量之前进行了咨询，但没有任何有关H₂S与其平衡兼容性的经验。我们在考虑后决定尝试测量我们会损害H₂S平衡的腐蚀性的可能性。据我们所知，我们是首先使用一个Hiden重量微量天平测量H₂S在离子液体中的溶解度。我们之前安装了一个干燥器，在H₂S进入微量天平的过程中以去除水分，可加速腐蚀。我们的初衷是测量在压力范围内在（298,323和348）K处的（0.01至1.75）MPa（0.01〜1.25）MPa的四个温度下的气体溶解度。初始实验为空样品容器在每个温度下成功超过给定的压力范围，以正确解释浮力效^{【17，36】}。第一个等温线与样本[bmim] [MeSO₄]在298K下测量，并在高达0.75MPa的压力下制备[（0.01,0.025，0.05,0.075,0.1,0.25,0.50和0.75）MPa]，进行质量测量，如图1所示。在298K和1.0MPa的溶解度测定期间，微量平衡的数值大幅度上涨，并达到一个很高的标准，并不再随着压力的增加而改变。H₂S从系统中排出，代表被Hiden隐藏和拆除的系统。Hiden诊断出失败是因为微量天平内的铜线圈引起H₂S的相互作用。已知H₂S反应用铜形成硫化铜，其为深色固体。视觉上，我们在铜的外表上看到硫化铜的迹象线圈，以及反应器之间的铜垫圈平衡。平衡得到修复，我们正在和Hiden一起努力，开发出一个兼容的新平衡腐蚀性气体如H₂S。

CO₂和[bmim] [MeSO₄]的溶解度数据来自Kumełan等^【35】，CO₂/ H₂S数据取自Bierlein和Kay^【13】。

3.二进制VLE测量

按照我们以前出版物中概述的程序，四个高压样品容器中装满干燥的[bmim] [MeSO₄]。^{【37，38】}只有H₂S摩尔分数为98.3％的两个试管在298K时显示液相。H₂S摩尔分数为98.8％的试管在室温下为单相，但在温度高于306.6 K时分裂成两相。另外两个样品（H₂S摩尔分数为82.6％和99.6％）在温度范围（298〜318）K内保持单相。这是第一个表明LLE差距非常不寻常的迹象。

使用体积法从约（306至318）K的恒定温度下对这些样品进行了VALLE实验^{【37，38】}。通过该方法测定的VLLE仅需要质量和体积测量，而不需要任何用于摩尔组成或化学分析的分析方法。样品容器充满高压后必须特别注意，确保H₂S不会发生泄漏。在开始和完成VLLE实验之后，对样品容器的重量进行几次检查，以量化是否有任何H₂S从样品容器中逸出。将样品置于恒温范围内水浴，并浸没在槽中机械混合。^【37】使用标准铂电阻温度计（型号：5699，Hart Scientific，范围（73至933）K）和Blackstack读数（型号：1560，SPRT模块2560）校准浴温。B

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