研制稀土离子液体用于炼厂干气中乙烯的资源化回收

作     者：程艳艳 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张香平

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：炼厂干气 乙烯/乙烷分离 稀土金属 离子液体 资源化利用 

摘      要：乙烯(C2H4)作为基础化工原料,推动了世界工业的发展,其产能和规模也反映了一个国家的工业发展水平。随着石油化工行业的快速发展,炼厂干气中富含乙烯、乙烷(C2H6)及其它气体混合物的量不断增加。而目前炼厂干气利用率低、综合利用技术条件不够成熟,通常会直接排空或进行燃烧处理,造成了极大的乙烯资源浪费,同时燃烧处理释放大量有害气体污染环境。因此利用高效节能环保的方式对炼厂干气中的乙烯进行有效的资源化利用,即从炼厂干气中乙烯/乙烷混合物中分离回收高纯乙烯,对提高资源利用率和保护环境具有重要意义。近年来,新一代绿色溶剂离子液体(Ionic liquids,ILs)因其饱和蒸汽压低和气体溶解度高等优点在C2H4/C2H6分离方面应用广泛。与传统低温精馏等方法相比,利用离子液体吸收法分离回收炼厂干气中C2H4/C2H6具有能耗低、绿色环保高效等独特优势,并且可以在常温常压下实现高效分离。其中常规离子液体和功能化离子液体存在合成步骤复杂、粘度高、分离选择性低等问题,而含金属离子液体因金属与乙烯之间的络合作用可大大提高C2H4/C2H6分离选择性,被认为是C2H4/C2H6高效分离最有前景的吸收溶剂之一。但含一价金属银离子(Ag+)和亚铜离子(Cu+)的吸收剂易失活等问题也限制了其发展。稀土金属元素因其特殊的电子构型和丰富的电子能级,有潜力成为吸收分离C2H4/C2H6的有效载体之一。基于上述研究背景及现状,本论文首先研究了适合C2H4/C2H6分离的(Rare earth metal-containing ionic liquids,下文简称 REMILs)的设计、筛选和合成,并筛选合成了以[Bmim]+为阳离子和[TFO]-、[NO3]-为阴离子,Er3+为稀土金属离子的REMILs吸收剂,其具有性质稳定、不易挥发和气体溶解度高等特点。其次考察了 REMILs对C2H4/C2H6的吸收分离性能,其中含Er3+的REMILs对C2H4 吸收量为 5.72 mg C2H4/mg IL,[Bmim][Er(NO3)4]在 30℃和 0.1 MPa 条件下对C2H6几乎不吸收,对C2H4/C2H6选择性为REMILs和部分常规离子液体最高。在经过五次吸收解吸循环实验后,[Bmim][Er(NO3)4]吸收性能降低仅3%左右,具有良好的再生性能。最后,为了进一步提高C2H4/C2H6的吸收分离性能,首次利用REMILs和N,N二甲基甲酰胺(DMF)为原材料设计并合成了新型低粘度吸收剂REMILs-DMF,并通过红外光谱、拉曼光谱表征手段及量子化学计算等方法研究该吸收剂对C2H4/C2H6的吸收分离性能及吸收机理等,其中[Bmim][TFO]/Er(TFO)3+20 wt%DMF 吸收剂的选择性达到 10(303 K,0.1 MPa),明显高于传统的ILs和部分金属离子液体吸收剂,且在吸收解吸循环实验中,其吸收性能下降约2%左右,具有良好的再生性能。综上可知,本研究提出了离子液体法绿色高效吸收分离回收炼厂干气中C2H4/C2H6的新策略,所设计合成的REMILs吸收剂可为高效可逆吸收分离C2H4/C2H6提供设计参考,对扩大离子液体在气体吸收分离工业上的应用提供了新思路,对炼厂干气资源利用及环境保护具有重要意义。