一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法 |
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| 申请号 | CN202210389944.7 | 申请日 | 2022-04-14 | 公开(公告)号 | CN114716383A | 公开(公告)日 | 2022-07-08 |
| 申请人 | 郑州中科新兴产业技术研究院; 中国科学院过程工程研究所; | 发明人 | 张锁江; 王均凤; 王红红; 王道广; 聂毅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 离子液体 回收处理领域，涉及离子液体 水 溶液中杂质去除，具体涉及一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质 金属离子 的方法。所述方法为：将待纯化离子液体水溶液首先调节pH至9～11，过滤去除Fe、Zn或Cu金属离子；随后，将过滤得到的滤液1引入填有自制 吸附 剂的吸附塔中，去除K、Ca或Mg金属离子；最后，将吸附后得到的滤液2经纳滤，在压 力 驱动下通过离子价态、水合离子半径、迁移速率等差异去除Na金属离子；纳滤后的纯化离子液体水溶液经减压蒸馏得到可重复利用的离子液体。本发明可有效实现杂质金属离子的去除和离子液体的纯化，工艺成本低、操作简单、能耗低，无三废产生，是一种绿色、环保、高效的离子液体纯化方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，其特征在于，步骤如下： |
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| 说明书全文 | 一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法技术领域[0001] 本发明属于离子液体回收处理技术领域，涉及离子液体水溶液中微量杂质的去除方法，具体涉及提出了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法。 背景技术[0002] 离子液体是完全由阴阳离子组成的有机溶剂，良好的物理化学稳定性、低挥发性以及可功能化设计的特点使其在作为绿色溶剂在一些领域中有着广阔的应用前景。例如，以离子液体为溶剂生产再生纤维素纤维、提取竹叶黄酮、制备金属‑有机骨架材料、电镀沉积铝合金、以及合成Pd空心多孔纳米球等。然而，由于离子液体的生产成本较高，因此离子液体的纯化和回收决定着整个工艺的经济性。目前，本团队开发了离子液体作为溶剂溶解纤维素生产再生纤维素纤维的绿色工艺，纺丝溶解工艺，并与企业合作进行了中试试验。在以离子液体作为溶剂生产再生纤维素纤维的过程中，牵伸、水洗阶段将产生大量的离子液体水溶液，其中含有微量的钾、钠、钙、镁、铜、铁、锌等杂质金属离子。未经除杂直接蒸发浓缩得到的离子液体，重复使用多次后，杂质金属离子累计到一定程度，不仅严重影响离子液体的溶解性能，而且会降低再生纤维的力学性能和色泽等。如何高效去除离子液体水溶液中的微量杂质金属离子，实现离子液体的纯化和回收是亟待解决的问题之一。 [0003] 专利CN101748515B公开了一种回收离子液体的方法，将离子液体水溶液进行过滤除杂和反渗透膜浓缩处理，向浓缩后的离子液体水溶液加入无机盐并搅拌，静置分层为富离子液体相和富盐相，经减压蒸馏后得到浓度≥98.5%wt%的离子液体。专利CN103147169A公开了一种回收离子液体的方法，将离子液体水溶液过滤除杂后加入活性炭进行吸附脱色，在常温常压下加入絮凝剂，静置分层为离子液体相和固体杂质相，然后减压蒸馏得到浓度≥99 wt%的离子液体。 [0004] 综上所述，现有的离子液体回收方法仅是将水进行有效脱除，而离子液体水溶液中杂质金属离子的去除工艺少有报道。 发明内容[0005] 针对上述技术问题，本发明提出了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，该方法能耗低、效率高、工艺简单，在能够高效分离离子液体水溶液中杂质金属离子并得到纯化的离子液体水溶液的同时，实现离子液体快速、高效的浓缩。 [0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，步骤如下： （1）将含有微量杂质金属离子的待纯化离子液体水溶液调节pH，通过沉淀方式过滤去除Fe、Zn或Cu杂质金属离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）将步骤（1）所得的离子液体水溶液1引入填有自制吸附剂的吸附塔中，通过吸附方式去除K、Mg或Ca杂质金属离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将步骤（2）所得的离子液体水溶液2引入纳滤装置中，通过纳滤方式去除Na杂质金属离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将步骤（3）所得的纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到可重复利用的离子液体。 [0007] 进一步，所述步骤（1）中待纯化离子液体水溶液中的离子液体为烷基咪唑盐、烷基吡啶盐、烷基季胺盐或烷基季鏻盐中的任意一种或多种。 [0008] 进一步，所述步骤（1）中待纯化离子液体水溶液中杂质金属离子为Na离子、K离子、Ca离子、Mg离子、Zn离子、Cu离子、Fe离子或Al离子中的任意一种或多种。 [0009] 进一步，所述含有离子液体和金属离子的种类在上述范围内时，才能实现对离子液体和金属离子的高效截留，如果更换类型，则会导致分离效果变差。 [0011] 进一步，所述步骤（1）中待纯化离子液体水溶液中杂质金属离子的质量浓度为0.1 g/L～10g/L。 [0012] 进一步，所述离子液体水溶液中金属离子的含量和离子液体的含量在上述范围内时，才能实现工艺步骤的能耗最低化以及分离效果最优化。如果比例变大，则会导致工艺能耗增加。 [0013] 进一步，所述步骤（1）中pH为9～11。 [0015] 进一步，所述步骤（3）中纳滤装置的纳滤膜为NF270或DL选择性纳滤膜。 [0016] 进一步，所述步骤（3）中纳滤装置的体积压缩比为0.5～3，流速为0.1 mL/min～0.5 mL/min，压力为0.1 MPa～3 MPa。 [0017] 进一步，所述步骤（3）中纳滤装置的体积压缩比为1.5。 [0018] 进一步，所述步骤（3）中纳滤装置的pH为3～10，温度为20 ℃～40 ℃。 [0019] 进一步，所述步骤（3）中Na离子与离子液体水溶液2的选择分离因子为2～15。 [0020] 进一步，所述步骤（4）中浓缩的离子液体与步骤（1）～步骤（3）任一步骤中的待纯化的离子液体水溶液中的离子液体种类相同。 [0021] 本发明具有以下有益效果：1、本发明的一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，通过调节pH去除了Fe、Zn或Cu杂质金属离子，Fe离子去除率大于97%、Zn离子去除率大于98%、Cu离子去除率大于83%；吸附分离后K、Mg或Ca杂质金属去除率分别大于83%、85%、93%；纳滤膜分离后Na离子去除率大于76%。本发明实现了离子液体水溶液中微量杂质金属离子的有效去除，并且使离子液体得到高效回收及重复利用。 [0022] 2、本发明采用填有自制吸附剂的吸附塔对K、Mg或Ca杂质金属去除，虽然纯离子液体水溶液是中性的，但由于回收的离子液体水溶液中含有杂质金属离子，呈酸性，因此在吸附过程中无需调节pH即可达到高效去除K、Mg或Ca杂质金属的目的，节省了程序和能耗。 [0023] 3、本发明采用低能耗、高效的压力驱动纳滤膜的方法，吸附后的离子液体水溶液经过纳滤，在压力驱动下通过离子价态、水合离子半径、迁移速率等差异去除钠离子，成本低，易于清洗、安装、转运，有利于进行工业化推广和应用。 [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0026] 图1为本发明述离子液体水溶液中微量杂质金属离子去除方法工艺流程图。 [0027] 其中，T1、pH调节沉淀塔；T2、吸附塔；T3、纳滤装置；T4、减压蒸馏塔；V1、原生液罐：V2、沉淀再生液罐；V3、吸附再生液罐；V4、纳滤再生液罐；V5、再生液回收罐；V6、蒸馏水罐； F1、过滤机Ⅰ；F2、过滤机Ⅱ；F3、过滤机Ⅲ。 具体实施方式[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0029] 吸附塔中吸附剂硅氧四面体和铝氧四面体的制备方法为：将实验配比为粉煤灰：硅酸盐水泥：石灰：石膏：氢氧化钠：铝粉：非离子表面活性剂（聚丙烯酰胺）：聚乙烯醇=260 g：40 g：16 g：17 g：8 g：1.2 g：1 g：0.8 g，水固比为 82.5%。在此基础上掺杂不同含量的造孔剂（石蜡）。 [0030] 将模具擦拭干净，在60 ℃的烘箱中预热1 h；去离子水加热至60 ℃待用，按照上述固液比盛装去离子水，去部分去离子水充分溶解氢氧化钠。 [0031] 将称取好的除铝粉之外的干料倒入搅拌机混合均匀，剩余的去离子水分两次倒入搅拌机中与干料混合并搅拌2 min，再将溶解的氢氧化钠溶液倒入搅拌锅中，搅拌1 min。随后将称取好的铝粉倒入，快速搅拌30 s。放入之前预热的模具中，放入烘箱60 ℃下养护12 h。最后将材料在200 ℃马弗炉煅烧3 h，即可得到吸附材料。 [0032] 实施例1本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐，杂质金属离子为K离子、Na离子、Ca离子、Mg离子、Fe离子、Cu离子和Zn离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L离子液体和0.5 g/L金属离子的待纯化离子液体水溶液的pH调节至11，去除Fe离子、Cu离子和Zn离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的离子液体水溶液1引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除K离子、Ca离子和Mg离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为25 ℃，流速为0.3 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比为1.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0033] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0034] 实施例2本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐，杂质金属离子为Ca离子、Mg离子、Cu离子、Zn离子和Na离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L离子液体和0.5 g/L金属离子的待纯化离子液体水溶液的pH调 10，去除Cu离子和Zn离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除Ca离子和Mg离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为25 ℃，流速为0.3mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比1.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0035] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0036] 实施例3本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐，杂质离子为Na离子、K离子和Zn离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L的离子液体和0.5 g/L的金属离子待纯化离子液体水溶液调节pH至11，去除Zn离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除K离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为25 ℃，流速为0.3 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比1.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0037] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0038] 实施例4本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐，杂质离子为Na离子、Ca离子和Cu离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L的离子液体和5 g/L的金属离子待纯化离子液体水溶液调节pH至9，去除Cu离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除Ca离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为25 ℃，流速为0.5 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比为1.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0039] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0040] 实施例5本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐，杂质离子为Na离子、Mg离子和Zn离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L的离子液体和7 g/L的金属离子待纯化离子液体水溶液调节pH至11，去除Zn离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除Mg离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为25 ℃，流速为0.3 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比为1.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0041] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0042] 实施例6本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐，杂质离子为Na离子、K离子和Fe离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L的离子液体和7 g/L的金属离子待纯化离子液体水溶液调节pH至11，去除Fe离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除K离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为40 ℃，流速为0.3 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比1.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0043] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0044] 实施例7本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑烯丙基‑3‑甲基咪唑氯盐，杂质离子为Na离子、Mg离子和Zn离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L的离子液体和0.5 g/L的金属离子待纯化离子液体水溶液调节pH至11，去除Zn离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除Mg离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为25 ℃，流速为0.1 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比0.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0045] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0046] 实施例8本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为1‑丁基‑3‑甲基吡啶盐，杂质离子为Na离子、K离子、Fe离子和Cu离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有150 g/L的离子液体和0.1 g/L的金属离子待纯化离子液体水溶液调节pH至11，去除Cu离子和Fe离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除K离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为5，温度为25 ℃，流速为0.5 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比0.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0047] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0048] 实施例9本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为十二烷基二甲基溴化铵，杂质离子为Na离子、K离子、Mg离子、Zn离子和Fe离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有10 g/L的离子液体和10 g/L的金属离子待纯化离子液体水溶液调节pH至11，去除Fe离子和Zn离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除K离子和Mg离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用DL选择性纳滤膜，pH为10，温度为25 ℃，流速为0.5 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比3，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0049] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0050] 实施例10本实施例提供了一种有效去除离子液体水溶液中微量杂质金属离子的方法，待纯化离子液体水溶液中离子液体为三丁基己基磷六氟磷酸盐，杂质金属离子为K离子、Na离子、Ca离子、Fe离子、Zn离子和Cu离子的混合物；工艺流程图如图1所示。具体步骤如下： （1）将含有20 g/L离子液体和0.5 g/L金属离子的待纯化离子液体水溶液的pH调节至11，去除Fe离子、Zn离子和Cu离子，得到离子液体水溶液1和沉淀1； （2）过滤去除步骤（1）中的沉淀物质，并将过滤后的滤液引入填有自制吸附剂的吸附塔中，在常温酸性条件，吸附10 h，吸附去除K离子和Ca离子，得到离子液体水溶液2和沉淀2； （3）将经过吸附处理后的离子液体水溶液2输送至纳滤装置，该装置选用NF270型纳滤膜，pH为3，温度为25 ℃，流速为0.3 mL/min，操作模式为错流浓缩，体积压缩比为1.5，纳滤完成后去除Na离子，得到纯化的离子液体水溶液和沉淀3； （4）将纯化的离子液体水溶液引入减压蒸馏塔中进行减压蒸馏，得到离子液体即为实验终点。 [0051] 离子液体回收率、离子液体水溶液中金属离子去除率及分离因子结果如表1所示。 [0052] 实施效果分析下面分别对实施例1‑10的去除效果进行分析： + 2+ 2+ 2+ 2+ 3+ 1、通过吸附和沉淀方法，K 、Ca 、Mg 、Cu 、Zn 和Fe 金属离子去除率通过下式计算： ， 其中η为金属离子去除率，ci为处理后的金属离子浓度（mg/L），c0为初始金属离子浓度（mg/L）。 [0053] 由表1数据可以看到：使用本发明的技术方案，Ca2+、Zn2+、和Fe3+金属离子去除率均+ 2+ 2+在93%以上，K、Mg 和Cu 金属离子去除率在83%以上。 [0054] 2、通过纳滤方法，离子液体回收率和Na+金属离子的去除率以及分离因子通过如下公式计算得到：， 其中R为截留率，S为分离因子，cp为纳滤膜透过侧组分浓度（mg/L），cf为纳滤膜进料液中组分浓度（mg/L），cr为纳滤膜截留侧组分浓度（mg/L）。 [0055] 由表1数据可以看到：Na+去除率在76%以上，且离子液体回收率较高，在70%以上。 |
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