CO2-[emim][Tf2N]的汽液相平衡实验研究

何丽娟，王荻，吴心伟，马文清

(内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古 包头 014010)

近年来，随着制冷技术的发展，在吸收式制冷系统中利用低品位的热源作为动力，具有结构简单、节能环保等特点。研究表明[1]，传统型吸收式制冷工质对在使用过程中存在着如氨汽化潜热小、可燃有毒；H2O-LiBr不能制取0 ℃以下的冷量；氟利昂具有较高的GWP和ODP[2]。必须要寻找一种新型的吸收式制冷工质对。

CO2被称为R744制冷剂，具有无毒无害、良好的热力学性能等优点[3-4]。离子液体是一种新型的绿色溶剂，在室温或者室温相近温度下为液态的熔盐体系，其蒸汽压低，化学稳定性良好，且通过改变其阴阳离子可以调节化学或者物理性质[5]。

本文选用离子液体[emim][Tf2N]和CO2作为汽液相平衡实验研究对象，并得出数据，为关联计算热力学性质奠定良好的基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1-乙基-3-甲基咪唑双三氟磺酰亚胺盐(纯度99%)，分析纯；CO2(纯度99.99%)。

平衡釜(由PSG-100 mL型不锈钢加工而成，有效容积100 mL，设计承压20 MPa，设计工作温度为-20～100 ℃)；缓冲罐(同反应釜的设计一致)；79-1型磁力搅拌器；SY-PG3300型压力变送器；ZMD-Z型精密电子天平；K型热电偶。

1.2 实验方法

自行设计并搭建相平衡测定试验台，实验装置流程图见图1。主要由测量系统、控制系统和恒温系统组成。其中测量系统包括平衡釜、热电偶；控制系统包括压力变送器、安捷伦采集器、计算机、温度控制器、磁力搅拌器、温度探测器、搅拌器；恒温系统包括恒温水浴、加热器。

图1 相平衡实验装置流程图Fig.1 Phase balance experimental device flowchart1.离子液体[emim][Tf2N]；2.平衡釜；3.恒温水浴；4.压力传感器；5.热电偶；6.安捷伦采集器；7.电脑；8.温度控制；9.磁力搅拌器；10.加热器；11.温度探测器；12.搅拌器

(1)气密性实验将氮气分10次充入平衡釜中，每次充入0.2 MPa，直至平衡釜内压力为2 MPa，保持此状态2 d后，观察平衡釜内的压力值为2 MPa。认为系统气密性良好，可用于相平衡实验。

(2)测量[emim][Tf2N]的质量，并倒入平衡釜中，进行抽真空处理后，将缓冲罐中的CO2充入到平衡釜中，进行两相混合。

(3)将平衡釜放入到调整为实验温度要求值的恒温水浴箱中进行实验测定，对实验过程中的温度及压力数据进行实时采集。

(4)当CO2-[emim][Tf2N]体系达到平衡状态时，记录实验温度和压力值。

通过公式x=ng/(ng+nl)计算得到相平衡时CO2-[emim][Tf2N]的溶解度(其中ng为CO2的摩尔质量，nl为离子液体的摩尔质量)。

2 结果与讨论

2.1 [emim][Tf2N]对CO2的吸收

在温度263.15～358.15 K、压力0.17～2.45 MPa条件下，CO2在离子液体[emim][Tf2N]中的相平衡数据见表1。

表1 温度在268.15～358.15 K下，CO2-[emim][Tf2N]系统汽液相平衡数据Table 1 Vapor-liquid equilibrium data for CO2-[emim][Tf2N] system at temperatures of 268.15～358.15 K

注：①此行数据为溶解度。

由表1可知，当温度为263.15 K，压力为1.01 MPa时，CO2在离子液体[emim][Tf2N]中的溶解度可达到0.535。

2.2 温度对[emim][Tf2N]吸收CO2的影响

由表1和图2可知，系统压力为定值时，当温度为278.15 K时，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度为0.483，当温度升高为288.15 K时，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度为0.444。由此可知，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度随着温度的升高而逐渐减小。这是由于温度升高导致离子液体[emim][Tf2N]的粘度、密度及表面张力等性质减弱，使得其自身的活化能变强，分子间相互作用力减弱，从而对CO2的吸收量减弱。

图2 在溶解度0.011～0.241下温度、压力对离子液体[emim][Tf2N]吸收CO2的影响Fig.2 Effect of temperature and pressure on CO2 absorption of ionic liquid [emim][Tf2N] under solubility of 0.011～0.241

2.3 压力对[emim][Tf2N]吸收CO2的影响

由图2和图3可知，CO2在离子液体[emim][Tf2N]中的溶解度为0.011～0.162时，随着温度的升高，压力变化的趋势不明显；CO2在离子液体[emim][Tf2N]中的溶解度为0.241～0.535时，随着温度的升高，压力变化的趋势比较明显。

图3 在溶解度0.366～0.535下温度、压力对离子液体[emim][Tf2N]吸收CO2的影响Fig.3 Effect of temperature and pressure on CO2 absorption of ionic liquid [emim][Tf2N]under solubility of 0.366～0.535

3 结论

选用新型吸收式制冷工质对CO2-[emim][Tf2N]进行汽液相平衡实验，得到以下主要结论：

(1)温度和压力均是影响[emim][Tf2N]吸收CO2的重要因素。当系统压力不变时，CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度随着温度的升高而逐渐减小；当系统温度不变时，CO2在离子液体中的溶解度随压力升高而升高。

(2)CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度在0.011～0.162的范围内，随着温度的升高，压力变化的趋势不明显；CO2在[emim][Tf2N]中的溶解度为0.241～0.535的范围内，随着温度的升高，压力变化的趋势比较明显。

(3)当温度为263.15 K，压力为1.01 MPa时，CO2在离子液体[emim][Tf2N]中的溶解度最大值可达到0.535。