【摘要】：近年來,離子液體因其特有的低蒸汽壓、良好的熱穩(wěn)定性和結構可設計性等優(yōu)勢,在諸多領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。然而離子液體種類繁多,完全依賴實驗方法測量離子液體的性質和篩選合適的離子液體不切實際,迫切需要開發(fā)性質預測模型及系統(tǒng)高效的篩選方法,為離子液體工業(yè)化應用提供支撐。本論文建立了離子液體純組分性質、氣液相平衡性質預測模型,針對氣體分離,綜合考慮多種重要性質提出了系統(tǒng)高效的離子液體設計篩選新方法,并采用量化計算對代表性氣體分離機理(CO2/CH_4、C2H_2/C2H_4和NH_3/CH_4)進行了深入研究,研究結果為氣體分離工業(yè)化應用提供了參考和指導。本論文的主要研究內容及成果如下:(1)基于智能算法的離子液體純組分性質預測。針對常見的咪唑類離子液體的粘度性質,采用離子片-對應態(tài)方法(FC-CS)計算的臨界性質等作為輸入參數(shù),基于多元線性回歸(MLR)及支持向量機(SVM)算法建立了預測模型。建立的模型對45種咪唑類離子液體1079條數(shù)據(jù)點的平均絕對相對誤差(AARD)分別為24.2%和3.95%。為了進一步擴大粘度的預測范圍,收集了 89種離子液體1502條數(shù)據(jù)點,采用量化計算得到的Sσ-profiles分子描述符作為輸入參數(shù),結合MLR和SVM算法建立了模型,二者的AARD分別為10.68%和6.58%。同時,針對離子液體熱容性質,采用Sσ-profiles分子描述作為輸入參數(shù)結合極限學習機(ELM)算法,分別建立了 MLR和ELM預測模型,對46種離子液體2416條數(shù)據(jù)的AARD分別為2.72%和0.60%。以上結果表明本論文所建立的模型具有良好的預測效果。(2)H_2S在離子液體中溶解度數(shù)據(jù)庫及預測模型。H_2S在離子液體中溶解度的數(shù)據(jù)庫及預測模型對于工業(yè)氣體脫硫新過程開發(fā)非常重要。然而目前缺乏相關的數(shù)據(jù)庫及準確的預測模型。本論文收集了 2007-2016年1334條H_2S溶解度數(shù)據(jù)建立了數(shù)據(jù)庫。在此基礎上以離子片作為輸入參數(shù),結合ELM算法建立了預測模型,該模型對27種離子液體1282條數(shù)據(jù)的AARD為4.12%。進一步采用量化計算得到的Sσ-profles作為輸入參數(shù),結合ELM算法建立了新的預測模型。其中Sσ-profles采用兩種不同的劃分形式,得到了兩個定量結構性質關系(QSPR)模型,二者的AARD分別為3.73%和3.80%,效果均優(yōu)于離子片作為輸入參數(shù)建立的模型,也優(yōu)于文獻中報道的相關模型。(3)建立了考慮多因素的離子液體設計篩選新方法。離子液體在氣體分離中的應用已經吸引了工業(yè)界和學術界的廣泛關注。然而,如何建立高效、系統(tǒng)的設計篩選方法是一個重要的挑戰(zhàn)。本研究采用COSMO-RS方法計算獲得了包含一萬多種離子液體對12種常見工業(yè)氣體共163020條亨利系數(shù),建立了相應的基礎數(shù)據(jù)庫。在此基礎上,考慮離子液體對氣體的質量和摩爾吸收能力、解吸能力、選擇性以及其本身的熔點、粘度、毒性等性質建立了系統(tǒng)高效的設計篩選新方法,提出了吸收分離指數(shù)(ASI)新概念,可綜合考慮離子液體的吸收和選擇能力。以兩種典型的氣體分離應用為例(CO2/CH_4和C2H_2/C2H_4),驗證了上述方法的可靠性。(4)離子液體氣體分離機理分析。針對三種典型的氣體分離應用(CO2/CH_4、C2H_2/C2H_4和NH_3/CH_4),分別選取了三種代表性的離子液體[S221][CCN3]、[S222][Ace]和[OHemim][NTf2],采用量化計算的方法對氣體分離機理進行了系統(tǒng)深入的研究。結果表明氫鍵是分離氣體的關鍵,通過AIM分析發(fā)現(xiàn)氫鍵以靜電為主導,部分強的氫鍵具有了共價鍵的特征,同時發(fā)現(xiàn)氫鍵的鍵長分別與ρBCP和%，

本文編號：2142045