氨(NH3)是重要的基础化工原料,但其直接排放也会造成严重的污染。在化工生产中含NH3尾气的直接排放,不仅造成了资源浪费,而且对环境带来了污染。基于结构可调、蒸汽压低、热稳定性好、气体溶解度高等特点,离子液体在气体分离与净化领域受到了广泛的关注。尽管系列常规、羟基和金属等功能离子液体被用于NH3吸收,但存在常规离子液体吸收量低,功能离子液体粘度高、合成过程复杂等问题,开发吸收量高、粘度低、合成过程简单的功能离子液体是当前的发展趋势。质子型离子液体是由布朗斯特酸和布朗斯特碱通过酸碱中和形成的离子液体,在阳离子上具有可以形成氢键的质子,为NH3吸收提供了新的手段。目前质子型离子液体研究主要集中于咪唑类离子液体等,因此设计高效可循环的新型质子型离子液体是离子液体NH3分离领域研究的关键。本论文设计并合成了六元氮杂环类质子型离子液体,对离子液体的结构进行了表征,研究了离子液体吸收NH3性能、吸收机理,并提出了可逆吸收判断依据,为设计新型可逆的离子液体提供了指导。本论文的主要研究内容如下:(1)六元氮杂环类质子型离子液体的设计合成及性能评价。设计合成了 5种六元氮杂环类质子型离子液体,包括吡啶双三氟甲烷磺酰亚胺盐([Py][NTf2])、2-甲基吡啶双三氟甲烷磺酰亚胺盐([2-mPy][NTf2])、2,6-二甲基吡啶双三氟甲烷磺酰亚胺盐([2,6-2mPy][NTf2])、哌啶双三氟甲烷磺酰亚胺盐([Piper][NTf2])及N-羟乙基哌啶双三氟甲烷磺酰亚胺盐([EtOHPi][NTf2]),对以上离子液体的基础物性数据和NH3吸收性能进行了测定和评价。在吸收过程中,两种固体离子液体[Py][NTf2]及[EtOHPi][NTf2]会发生从固态到液态的相变行为,原因是NH3与离子液体之间的氢键作用破坏了离子液体自身的氢键网络;在40℃,0.10 MPa下,吡啶类和哌啶类质子型离子液体最高吸收量为3.078 mol NH3/mol IL和2.406 mol NH3/mol IL;对比吡啶类离子液体的NH3吸收量发现,吡啶类侧链上取代基对NH3吸收量影响较小;由于吡啶环上的质子氢酸性更强,吡啶类离子液体对NH3的吸收量比哌啶类离子液体高,但吡啶类离子液体在吸收饱和后及循环实验中会呈现吸收量下降的趋势,而哌啶类离子液体则保持稳定。(2)六元氮杂环类质子型离子液体吸收NH3机理研究。通过FR-IR、NMR以及量化计算对离子液体吸收NH3过程机理进行了研究,根据离子液体吸收前后的FT-IR谱图变化,说明质子型离子液体与NH3形成了氢键作用,再由吸收过程中核磁氢谱位移变化及量化计算结果,进一步证明质子氢在NH3吸收过程中起主要作用,可与NH3形成强氢键,同时羟基也可与NH3形成氢键,有利于NH3吸收;此外,[2-mPy][NTf2]解吸后红外谱图与吸收前不同,表明[2-mPy][NTf2]不能完全再生;而[EtOHPi][NTf2]解吸后红外谱图与吸收前一致,表明[EtOHPi][NTf2]可完全再生,与循环实验结果一致。(3)吡啶类质子型离子液体NH3吸收量降低原因及可逆判据。针对吡啶类质子型离子液体[2-mPy][NTf2]吸收过程中出现吸收性能逐渐减少的现象,通过ESI及核磁表征分析了下降原因。通过ESI-MS测试结果发现吸收后的[2-mPy][NTf2]-NH3体系中有NH4+生成,通过对NH3夹带气进行核磁表征发现产生了挥发性的2-甲基吡啶;进一步2-甲基吡啶、过饱和体系、[2-mPy][NTf2]的氢谱结果,发现下降原因主要是由于阳离子对应有机碱的pKa小于NH3的pKa,导致过饱和的碱性环境下质子氢被NH3剥离形成NH4+,并产生挥发性的2-甲基吡啶被气流带出,导致性能递减。而对于哌啶类质子型离子液体则不存在这种现象。基于上述结果,提出了质子型离子液体可逆吸收的判据:在吸收过饱和的碱性环境下,当阳离子对应有机碱的pKa小于NH3的pKa时,阳离子上质子氢会被NH3剥离导致NH3吸收量下降;反之,则可实现稳定可逆吸收。