当今世界,环境和资源问题的日益突出已向人类提出严峻的挑战。各领域都将环境友好、节能减排的新型技术作为研究的重点。其中,1)绿色溶剂离子液体的制备及应用;2)温室气体二氧化碳的捕集;3)酸雨气体二氧化硫的脱除;4)高效催化剂的设计与应用是新型绿色技术的四个热门领域,现有的研究进展表明,以下技术难点是限制这四个研究领域发展的主要因素:如:传统两步法离子液体合成技术存在产品品质与成本难以平衡的问题,限制了其工业规模生产;传统脱碳技术——有机胺吸收法,面临解吸能耗高、设备腐蚀严重和VOCs排放等问题,难以满足新形势下的碳捕集需求;传统脱硫技术——石灰石/石膏法虽然技术成熟,但建设和运行费用高,且有大量副产物难以有效利用,无法适应中小型点排放源的脱硫需求;以及为了提高C4资源利用率,需要高效的催化剂以充分利用其中的丁烯、丁烷和丁二烯组分。上述问题限制了相关技术的推广与应用,亟需成熟有效的解决途径。离子交换树脂是二十世纪最为重要的科学成就之一,其在水的软化、环境修复、湿法冶金、污水处理、色谱分析、生化分离和合成化学中有着普遍而深入应用。离子交换树脂的广泛适用性得益于其结构——小分子功能基团以共价键形式固定并高度分散于聚合物骨架中,该结构兼具性能稳定与功能灵活的优势,使离子交换树脂的应用角色不仅停留在字面意义上的离子交换剂,更可作为载体、吸附剂和催化剂等加以研究和利用。近年来,随着对环境和资源问题关注的日益增加,离子交换树脂及其应用的研究再次成为热点,相关文献数量逐年增加,体现出这一传统技术在当今形势下的崭新生命力。本文将离子交换树脂及其应用技术引入前文提及的新型绿色技术的四个热点方向,利用离子交换树脂性能稳定、功能灵活的特性设计了新型反应与分离过程,为相关问题的解决另辟蹊径。本文的具体研究内容与结果概述如下:1)离子交换树脂作为离子交换剂应用于高纯度离子液体的制备过程。该部分设计并验证了一种新型的高纯度离子液体合成工艺,该工艺基于目标阳离子氢氧化物为反应中间体的思路,主要包括:复分解沉淀、离子交换和酸碱中和三个步骤。本文系统地研究了各步骤中涉及的反应及相关操作因素的影响。研究结果表明:i.经由复分解反应,可以简便、快速地合成目标阳离子氢氧化物中间体,但会残留一定量的卤素和碱金属离子杂质,其残留量受到碱金属卤化物溶解度、反应物比例以及溶剂用量的影响;ii.通过阴、阳离子交换可以分别除去卤素和碱金属离子杂质,去除效果受到树脂类型、溶液氢氧根浓度、目标阳离子尺寸以及工作流速的影响;iii.在前两个步骤的优化条件下,合成了两种目标阳离子中间体([N2221]OH和[C6mim]OH),并与四种含有目标阴离子的质子酸中和得到系列离子液体产品。各步骤中杂质含量和转化率结果证实,该法制得的产品兼具高纯度和高转化率的优势,并可将大部分离子液体制备统一在一个共性技术下。2)离子交换树脂作为载体负载氨基酸应用于二氧化碳的捕集过程。该部分设计了一种新型固态胺吸附剂,通过将小分子氨基酸负载于大孔阴离子交换树脂即可制得,该材料可用于CO2的吸附。本文进行了相应物化性质表征,并分别从动态吸附和静态吸附的角度评估该材料的CO2吸附性能。研究结果表明,通过简单的酸碱中和,即可将大量氨基酸分子通过离子键的形式负载于强碱型阴离子交换树脂上,负载率高达95%以上。所得的材料其CO2吸附性能相比于负载前有显著的提高,达lmmol/g左右,但吸附容量会随着温度的升高而降低,因此适用于室温范围。通过Langmuir吸附等温式能够很好地描述其等温吸附行为。动态吸附研究也显示出该材料对混合气中的CO2具有优秀的分离性能,且只需在惰性气氛下加热至60℃即可完成再生。3)离子交换树脂作为气体吸附剂应用于二氧化硫的脱除过程。该部分通过将弱酸型阳离子交换树脂碱化,制得可用于低浓度SO2脱除的吸附剂。该部分研究了树脂转型过程的胀缩现象及其影响因素,并分别从静态吸附和动态吸附的角度评估其SO2吸附性能。实验结果表明:羧酸型阳离子交换树脂由碱型转为氢型时会发生收缩,收缩率达到30%以上。收缩过程会将树脂内部的溶液挤出且导致近25%的交换容量损失。碱型树脂可用于低浓度SO2(0.15v/v%)的脱除,其动态吸附量高达128mg/g。水分在该过程中扮演着十分重要的作用,气源中需要含有足够的水蒸气以维持树脂水含量平衡。吸附过程中,树脂排出的溶液经分析为高纯度的亚硫酸氢盐,可作为副产品。树脂吸附完毕后,只需再次通过新鲜碱溶液即可完成再生。在小试结果基础上,本文提出了将烟气脱硫与废碱液治理联合进行的工艺设想。4)离子交换树脂作为固体催化剂应用于醋酸仲丁酯的合成过程。该部分利用廉价醚后碳四原料与乙酸直接加成生成醋酸仲丁酯产品,以达到碳四资源的高附加值利用。文中对比了离子交换树脂、无机酸与离子液体对上述反应的的催化性能,并采用固定变量法获取优化反应条件。实验发现:针对n-丁烯与乙酸的加成反应,离子交换树脂较传统的无机酸和新型的离子液体具有更高的催化活性。在反应时间1h,反应温度为110℃,烯酸摩尔比=1.64:1,催化剂用量为醋酸质量的15%的优化条件下,采用Resin-1型树脂催化,醋酸转化率可达65%,酯化选择性可达93%左右。反应的副产物主要为仲丁醇、丁烯二聚物和仲丁醚。配合后续的分离纯化流程,即可满足工业化生产的需求。