离子液体在吸收式制冷循环中的应用研究

李 静，王克良，汪 梅，连明磊，李 志，陈定梅

（六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州 六盘水 553004）

离子液体在吸收式制冷循环中的应用研究

李 静，王克良，汪 梅，连明磊，李 志，陈定梅

（六盘水师范学院化学与化学工程系，贵州 六盘水 553004）

离子液体由于具有可设计性、饱和气压低、无腐蚀性、强亲水性等优良的性质，非常适宜作为吸收式循环工质对的吸收剂，具有广阔的应用前景。

离子液体；吸收式循环； 工质对

针对目前全球气候变暖和能源接近枯竭的严峻挑战，研究节能技术成为了各国解决这一问题的共识［1］。由于吸收式制冷循环可直接利用低品位热源驱动，工质对类型具有多样性等特点，因此受到了人们的广泛关注。

吸收式制冷循环工质对的物理化学特性决定了其应用于循环的制冷性能，因此寻找合适的工质对成为了广大学者的研究热点。离子液体作为一种绿色溶剂，已经逐渐被应用于吸收式制冷循环中。将离子液体与水、醇类等制冷剂组合，即可成为新型吸收式制冷循环工质对。

1 离子液体

离子液体（Ionic Liquid）具有沸点高、无毒、可设计性等特点，一般由有机阳离子和无机阴离子组成［2］。目前研究较多的离子液体，按照其阳离子可分为季铵盐类、季磷盐类、烷基吡啶类［Rpy］+和烷基咪唑类。烷基咪唑类包括N，N-二烷基取代离子和2或4位亦被取代的离子，该类离子研究最多。按照阴离子主要分成两类，一类是多核阴离子，如Al2Cl、Al3Cl、Au2Cl、Fe2C、Sb2F、Cu2C、Cu3C，这类阴离子是由相应的酸制成的，一般对水和空气不稳定；另一类是单核阴离子，如BF4、PF、NO、NO、SO、CH3COO-等，这类阴离子是碱性的或中性的［3］。图1给出了常见的离子液体的阴、阳离子的结构。

图1 阴、阳离子结构

2 吸收式循环工质对的研究

众所周知，适用于吸收式装置的制冷剂/吸收剂体系其工作温度范围应大些，且要求在工作温度内必须是稳定的。若综合考虑这些，吸收式装置采用的制冷剂可以分为水类、氨类、乙醇类、氟里昂类等四大类。人们正在思考的是表1列出的冷媒［4］，认为是有希望的。

表1 吸收式制冷系统所用主要冷媒的蒸发潜热

水因潜热大、无毒、化学稳定，又有实用经验，故为最适合的制冷剂。但是，空冷化时溴化锂有结晶问题，热泵化时不可能有0℃以下的蒸发温度，0℃以下不能使用是其致命的缺点。其次是氨，潜热较大，沸点低，从热力学观点看为优良的冷媒，是高性能循环不可缺少的，可是，有毒性和可燃性，在个别国家如日本很少采用。乙醇系凝固点低，适用于低温，但是有可燃性和黏性高等缺点［4］。

目前已有很多学者提出将离子液体作为吸收剂应用于制冷工质对中。Shiflett和Yokozeki［5］对HFCs、CO2和NH3在离子液体中的溶解性和扩散性进行大量研究后，提出以HFCs、NH3和H2O为制冷剂、离子液体为吸收剂进行配对，成为一种新型的吸收式工质对（如H2O/［Emim］［BF4］、NH3/［DMEA］［Ac］、（R134a）/［Emim］［BEI］）。Kim和Ziegler等人［6-7］提议将TFE/［Bmim］［BF4］和TFE/［Bmim］Br两种溶液作为吸收式循环的工质对。从体系蒸气压测定的数据来看，［Bmim］［Br］/TFE更优于［Bmim］［BF4］/TFE。Seiler等人［8］提出采用水作制冷剂时，离子液体作为吸收剂应满足以下条件:与水完全互溶，不会出现结晶现象等。

3 含离子液体体系的分子模拟

尽管广大学者对离子液体进行了大量研究，但是含离子液体的多元混合体系的数据目前仍然非常缺乏。随着计算机的发展，采用分子模拟的方法计算含离子液体的混合体系的数据得到了广泛应用。

计算机分子模拟预测热力学性质的精度常取决于所用力场的质量。通常采用的力场有全原子力场（All-Atom force field，AA）和联合原子力场（United-Atom force field，UA）两种形式，前者显示体系中的所有原子，而后者对体系中部分基团由单个原子取代并对其参数作适当调整。全原子力场由于计算精度相对较高，在离子液体模拟中应用较广。Liu等人［9］对咪唑类离子液体的力场进行了全面而精细的调整，开发了一种基于AMBER力场的1-烷基、3-甲基咪唑型离子液体的AA力场。

Lynden-Bell课题组最早对含离子液体的体系进行了分子动力学模拟研究［10］。该课题组采用DL_POLY程序首先对纯离子液体、小分子在离子液体中的溶剂化以及离子液体与水的混合物等方面进行了较为系统的模拟研究。此外，汪文川等人［11］建立了咪唑类离子液体的全原子力场，并模拟了O2、N2、Ar、CH4和CO2等气体在离子液体中的溶解度。

Liu等人［l2］通过对几种离子液体不同组分间径向分布函数的分析，得到了阴离子和咪唑型阳离子上氢原子的作用强弱顺序为H5＞H4＞H1＞HC，阴离子的强弱顺序为Cl－＞BF＞PF。并通过阴/阳离子间空间分布的分析，揭示了阴离子在阳离子周围的分布情况。

吴晓萍等人［13］通过分子模拟计算了［Bmim］［BF4］和水的混合物，发现该混合物中各组分间的相互作用情况随［Bmim］［BF4］摩尔分数的增加呈有规律的变化。Hanke和Lynden-Bell［14］用分子模拟着重研究了［Dmim］Cl和水以及［Dmim］［PF6］和水的混合物的性质，发现咪唑类离子液体随着烷基链的增长其亲水性减弱，且阴离子越小，亲水性越强，并计算了两个二元体系的超额体积和混合焓。尽管混合过程能量的变化不大，但对［PF6］－和Cl－两种离子液体有质的不同， 前者为正值，而后者的混合热为负值，这与实验观察到的Cl－型离子液体的亲水性及［PF6］－型离子液体的疏水性，经常表现为部分互溶的特性相一致。

4 结语

离子液体作为吸收剂应用于吸收式制冷循环工质对中是一项有前景的工作。虽然目前尚处于实验研究和分子模拟计算阶段，且关于含离子液体的工质对应用到吸收式循环中的研究较少，但随着各国学者研究的不断深入，对离子液体中典型的阴阳离子进行组合设计，通过实验手段和分子模拟手段探索吸收剂与离子液体间的作用规律，进而找到性能优良的适于吸收式循环的工质对，离子液体必将为吸收式制冷循环工质对的发展带来广阔的发展途径。

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Application Study of Ionic Liquid in Absorption Cooling Cycle

LI Jing， WANG Ke-liang， WANG Mei， LIAN Ming-lei， LI Zhi， CHEN Ding-mei
（Department of Chemistry and Chemical Eng ineering， Liupanshui Normal University， Liupanshui 553004， China）

Ionic liquids were very suitable to be used as absorbent species in absorption cooling cycles owing to their characteristics such as design， low pressure， non-corrosion and strong hydrophilicity. It had broad application prospects.

ionic liquid； absorption cycle； working pairs

TB 61+6

A

1671-9905（2016）10-0037-03

贵州省科技厅联合基金项目（黔科合J字LKLS［2013］28号）；贵州省教育厅重点科研项目（黔教合KY字［2014］282）；贵州省普通高等学校煤系固体废弃物资源化技术创新团队（黔教合人才团队字［2014］46）

李静（1986-），女，工学硕士，讲师，主要从事能源高效利用技术研究。E-mail:woxinfeiyang1986@163.com

2016-07-25