互动科普

用离子液体吸收有害气体

随着经济的发展，环境污染也在增加，治理环境污染已经成为世界各国的共同课题。对二氧化碳（CO₂）等温室气体的处理是减少碳排放的重要途径之一。

离子液体应用于气体处理的最早报道就是用于吸收二氧化碳。处理二氧化碳的方法主要有两类：一是将它封存于地下或深海，二是将它转化为有用的化学物质或材料（如尿素、碳酸酯等）。无论采用哪种方法，涉及到的第一个问题都是二氧化碳的捕集和分离。目前大多是用乙醇胺水溶液作为吸收剂，这个方法存在挥发性污染、溶液有腐蚀性、能耗高等问题。

如果用离子液体吸收二氧化碳，则具有很多突出的优势：二氧化碳能够获得资源化再利用；离子液体性质稳定、不挥发，可循环使用；避免有机胺造成的二次污染，并有效防止设备腐蚀。

常规离子液体吸收二氧化碳，主要是通过离子液体和二氧化碳之间的物理作用，吸收能力较差。科学家研发出的功能化离子液体具有碱性基团，可以通过化学反应吸收大量的二氧化碳。据报道，应用离子液体捕集分离石化行业废气中的二氧化碳，相对于传统的醇胺溶液捕集法，成本可降低30%以上。

当然，大气中的污染物不仅仅是二氧化碳，还存在如硫化氢、二氧化硫、氨等多种有毒有害的气体，目前已有科学家研究将离子液体用于这些气体的吸收。

离子液体与可再生能源

目前全球化石能源短缺的危机日益严重，解决这一危机的根本途径就是可再生资源/能源的开发利用。生物质能是一种可再生能源，同时也是惟一一种可再生的碳源。

纤维素是世界上最丰富的生物质，每年通过植物光合作用产生的纤维素可达1.5×10¹²吨，被认为是“取之不尽”的天然原料，它的再生速度比矿物燃料要快得多。如果能把植物中的纤维素提取出来，就可以为纤维、纺纱、造纸、薄膜、聚合物以及涂料等工业提供大量的原料。

但是，纤维素却是一种很难处理的固态化合物，这是由于天然纤维素具有复杂的聚集结构，含有大量的分子内和分子间强氢键，在大多数溶剂中都不容易溶解。世界各国的研究人员探索过很多溶解纤维素的化学体系，从较早的浓硫酸、铜氨溶液，到后来的镉/乙二胺溶液、氯化锂/二甲基乙酰胺溶液体系、氯化锂/甲基吡咯烷酮体系、二甲亚砜/氟代季铵盐体系，包括传统工业使用的胶黏技术和现代工业化的N-甲基氧化吗啉（NMMO）体系等。但这些方法都存在着或环境污染严重、工业流程复杂、试剂耗量大，或价格昂贵、溶剂回收困难等缺点。

近年来，离子液体以其独特的性质为开发纤维素溶剂提供了新途径。2002年，美国阿拉巴马大学的罗杰斯（R. D. Rogers）教授等首度报道，纤维素不需要任何预处理就可以直接溶解在离子液体中，并且溶解的纤维素在添加水和其他普通溶剂后很容易再生。2006年，由于在纤维素溶解分离方面所作的贡献，罗杰斯教授获得了美国总统绿色化学挑战奖。此后，大量的离子液体被用于溶解纤维素方面的研究。科学家发现，是离子液体中阴、阳离子的协同作用促使纤维素内部的氢键断裂。

除了溶解和分离纤维素，离子液体在可再生资源领域的另一研究热点就是纤维素的有效利用。有研究表明，从离子液体中制备的再生纤维素纤维的主要性能优于黏胶纤维，并可以和性能优良、绿色环保的Lyocell纤维相媲美，某些性能甚至超过后者。在纤维素的离子液体溶液中添加一些含有磁性、导电性、生物活性的物质，还可以方便地制备出不同类型的功能性再生纤维素复合材料。例如，我国科学家研究的多壁碳纳米管填充增强的再生纤维素复合材料纤维，明显提高了纤维素材料的热性能和导电性能。基于以离子液体为介质的纤维素，可以制备出结构均匀、性能优良的二醋酸纤维素，极大降低了醋酸纤维素的生产成本。

离子液体几乎与绿色化学的每一个基本科学问题（如绿色合成、绿色介质、绿色反应物、绿色催化等）都有着密切的关联。目前离子液体的研究已经从“探索”走向“应用”。离子液体在功能化纳微材料、清洁油品、生物质能及新能源利用、全球气候变化、航空航天等领域的应用，将是下一步的研究重点。

（本文发表于《科学世界》2013年第12期）