8-羟基喹啉基离子液体对挥发性有机化合物的吸收性能研究

8-羟基喹啉基离子液体（8-HQ-ILs）作为一类功能化离子液体，通过在阳离子或阴离子结构中引入8-羟基喹啉（8-HQ）官能团（含 N、O 杂原子及芳香环），赋予其对挥发性有机化合物（VOCs）的特异性吸附能力。VOCs作为工业废气中的主要污染物（如苯系物、醇类、酯类、卤代烃等），其高效脱除是环保领域的核心需求。8-HQ-ILs凭借“多重作用机制协同+结构可设计性”，在VOCs吸收中展现出高容量、高选择性、低挥发性等优势，其吸收性能与VOCs的分子结构、理化性质及离子液体的功能化修饰密切相关，具体解析如下：

一、8-羟基喹啉基离子液体的结构特征与吸附机制

8-HQ-ILs的吸收性能源于其独特的分子结构与VOCs分子间的多重相互作用，核心机制围绕功能化官能团与VOCs的特异性结合展开：

1. 结构特征：功能化官能团的靶向设计

8-HQ-ILs的结构设计核心是将8-羟基喹啉的杂环结构（含吡啶N、酚羟基O）引入离子液体的阳离子（如咪唑鎓、吡啶鎓、季铵盐）或阴离子（如羧酸根、磺酸根）中，形成“离子液体骨架+8-羟基喹啉功能位点”的复合结构：

阳离子功能化：如1-丁基-3-（8-羟基喹啉基）咪唑鎓盐，8-羟基喹啉通过亚甲基、酰胺键等连接臂与咪唑阳离子结合，保留8-羟基喹啉的N、O活性位点及芳香环结构；

阴离子功能化：如8-羟基喹啉-5-磺酸根与季铵盐阳离子（如四丁基氯化铵）形成的离子液体，阴离子中的8-羟基喹啉结构直接参与VOCs吸附；

结构优势：8-羟基喹啉的吡啶N与酚羟基O可形成氢键供体/受体位点，芳香环可通过π-π堆积作用结合芳香族VOCs，离子液体的离子对结构则通过静电作用增强与极性VOCs的相互作用，多重位点协同赋予其广谱且高效的吸附能力。

2. 吸附机制：多重相互作用协同强化

8-HQ-ILs对VOCs的吸收并非单一作用，而是通过氢键作用、π-π堆积、静电作用、疏水作用等多重机制协同实现，具体因VOCs类型而异：

氢键作用：8-羟基喹啉结构中的酚羟基（-OH）可作为氢键供体，与VOCs分子中的电负性原子（如醇类的-OH、酯类的C=O、卤代烃的 Cl）形成氢键；同时，吡啶N可作为氢键受体，与VOCs中的氢键供体（如苯甲醇的-OH、甲醛的 C-H）结合，这一机制对极性VOCs（如甲醇、乙酸乙酯、氯仿）的吸附贡献显著，是提升吸附容量的核心；

π-π堆积作用：8-羟基喹啉的芳香环与芳香族VOCs（如苯、甲苯、二甲苯）的苯环之间通过电子云重叠形成π-π堆积作用，尤其对甲苯、二甲苯等稠环芳烃的吸附具有高选择性，可在混合VOCs体系中优先吸附芳香族组分；

静电作用：离子液体的阳离子与阴离子形成的静电场，可与极性VOCs分子的偶极子发生相互作用，增强对强极性VOCs（如丙酮、乙醛、乙醇）的吸附能力，偶极矩越大的VOCs，静电作用越强，吸附效果越优；

疏水作用：离子液体的烷基链等疏水基团与非极性VOCs（如正己烷、环己烷）之间通过范德华力形成疏水作用，虽吸附强度弱于极性VOCs，但结合π-π堆积或静电作用的协同，仍可实现对非极性VOCs的有效吸收。

二、8-羟基喹啉基离子液体对不同类型VOCs的吸收性能

8-HQ-ILs 的吸收性能具有明显的VOCs类型依赖性，其吸附容量、选择性与VOCs的分子极性、分子量、结构特征密切相关，不同类型VOCs的吸收表现如下：

1. 芳香族VOCs（苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯）

芳香族VOCs是工业废气中常见的污染物，8-HQ-ILs对其具有优异的吸附性能，核心依赖 π-π 堆积与氢键作用的协同：

吸附容量：在25℃、1atm条件下，8-HQ-ILs对甲苯的吸附容量可达0.15~0.30 g/g（远高于传统离子液体如[BMIM][PF6]的0.08~0.12g/g），对二甲苯的吸附容量略高（0.18~0.35 g/g），这是因为二甲苯的苯环电子云密度更高，π-π堆积作用更强；

选择性：在苯/甲苯/二甲苯混合体系中，8-HQ-ILs对二甲苯的选择性系数（α 二甲苯/苯）可达2.5~3.5，对甲苯的选择性系数（α甲苯/苯）为1.8~2.2，展现出对多环、烷基取代芳香族VOCs的优先吸附能力；

影响因素：8-羟基喹啉的芳香环取代基、离子液体阳离子的烷基链长度会影响 π-π 堆积强度，烷基链越长（如C6~C8），疏水作用增强，对芳香族VOCs的吸附容量略有提升，但选择性会轻微下降。

2. 醇类VOCs（甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇）

醇类VOCs具有强极性与氢键供体特性，与 8-HQ-ILs 的氢键作用显著，吸附性能突出：

吸附容量：对乙醇的吸附容量可达 0.20~0.40 g/g（25℃、1atm），远高于非功能化离子液体，其中对丁醇的吸附容量很高（0.35~0.45 g/g），这是因为随着醇类分子量增加，疏水作用与范德华力协同增强，同时丁醇的-OH与8-HQ的-OH、吡啶N形成的氢键更稳定；

吸附动力学：吸附速率快，达到吸附平衡的时间仅需5~15分钟，这是因为氢键作用的形成速度快于π-π堆积，且醇类VOCs与离子液体的相容性好，扩散阻力小；

温度依赖性：吸附容量随温度升高而下降，符合放热吸附的特征，在15~35℃范围内，温度每升高10℃，吸附容量下降10%~15%，因此低温条件更有利于醇类VOCs的吸收。

3. 酯类与酮类VOCs（乙酸乙酯、丙酮、丁酮）

这类VOCs具有极性官能团（C=O），可与8-HQ-ILs形成氢键与静电作用，吸附性能介于芳香族与醇类之间：

吸附容量：对乙酸乙酯的吸附容量为0.12~0.25g/g，对丙酮的吸附容量为0.10~0.20g/g（25℃、1atm），低于醇类但高于非极性VOCs；

选择性：在乙酸乙酯/正己烷混合体系中，选择性系数可达5.0~7.0，展现出对极性VOCs的高选择性，这一特性使其适用于混合废气中极性VOCs的选择性脱除；

结构影响：离子液体阳离子的取代基位阻会影响吸附效果，位阻越小（如甲基、乙基取代），8-羟基喹啉的活性位点越易与VOCs的C=O结合，吸附容量越高。

4. 卤代烃VOCs（氯仿、四氯化碳、二氯甲烷）

卤代烃VOCs的吸附依赖氢键与卤键作用（8-羟基喹啉的N/O与卤代烃的Cl形成卤键），吸附性能因卤代程度而异：

吸附容量：对氯仿的吸附容量为 0.14~0.28g/g，对四氯化碳的吸附容量为0.16~0.30g/g，高于二氯甲烷（0.08~0.15g/g），这是因为卤代程度越高，卤键作用越强；

卤键作用：8-羟基喹啉的吡啶N与酚羟基O可作为卤键受体，与卤代烃的Cl原子形成稳定的卤键（键能10~30kJ/mol），这一机制是卤代烃吸附的核心，使其在含卤VOCs废气处理中具有独特优势；

稳定性：吸附过程中无明显分解，离子液体可重复使用，多次吸附-脱附后吸附容量仅下降 5%~10%，展现出良好的循环稳定性。

5. 非极性VOCs（正己烷、环己烷、庚烷）

非极性VOCs与8-HQ-ILs的相互作用以疏水作用与范德华力为主，吸附性能相对较弱：

吸附容量：对正己烷的吸附容量仅为0.05~0.10g/g（25℃、1 atm），远低于极性VOCs，这是因为缺乏氢键、静电等强相互作用；

改进策略：通过在离子液体阳离子中引入长链烷基（如 C10~C12）或氟代基团，增强疏水作用，可将吸附容量提升至0.08~0.15g/g，或与其他功能化离子液体复配，实现对极性与非极性VOCs的广谱吸收。

三、影响吸收性能的关键因素

8-HQ-ILs的吸收性能受离子液体结构、VOCs特性及操作条件等多重因素调控，核心影响因素如下：

1. 离子液体结构设计

功能化位点：阳离子功能化的8-HQ-ILs对芳香族VOCs的选择性更优，阴离子功能化的则对极性VOCs（如醇类、卤代烃）的吸附容量更高，双功能化（阳离子与阴离子均含8-HQ结构）可进一步提升吸附性能，但合成难度与成本增加；

烷基链长度：阳离子烷基链越长，疏水作用增强，对非极性与弱极性VOCs的吸附容量提升，但会导致离子液体黏度增大，VOCs扩散阻力增加，吸附速率下降，需平衡链长与流动性（通常优选 C4~C6 烷基链）；

取代基修饰：在8-羟基喹啉的芳香环上引入供电子取代基（如-CH3、-OCH3），可增强π-π堆积与氢键作用，提升吸附容量；引入吸电子取代基（如-NO2、-Cl）则会削弱吸附作用，需根据VOCs类型选择取代基。

2.VOCs的理化性质

极性与偶极矩：VOCs的偶极矩越大（如乙醇 μ=1.69 D、丙酮 μ=2.88 D），与 8-HQ-ILs 的氢键、静电作用越强，吸附容量越高；非极性VOCs（如正己烷μ=0 D）吸附容量显著较低；

分子量与分子结构：分子量适中（50~150g/mol）的VOCs吸附效果极优，分子量大的VOCs扩散阻力大，分子量小的则氢键作用弱；含苯环、C=O、-OH等官能团的VOCs更易与8-HQ-ILs形成特异性相互作用，吸附性能更优；

蒸气压：蒸气压越高的VOCs（如甲醛、甲烷），在气相中的浓度梯度大，吸附速率快，但吸附容量受限于相互作用强度；蒸气压较低的VOCs（如苯乙烯、丁醇）吸附速率慢，但吸附容量更高。

3. 操作条件

温度：吸附过程为放热反应，低温有利于吸附平衡向吸附方向移动，25~35℃是极佳吸附温度范围，温度超过50℃后，吸附容量显著下降；

压力：压力升高，VOCs的气相浓度增加，吸附容量略有提升（压力每升高0.1MPa，吸附容量提升5%~10%），但提升幅度有限，常压下即可实现高效吸附；

气体流速：流速过快会导致VOCs与离子液体接触时间不足，吸附效率下降；流速过慢则处理量低，需根据实际应用场景优化流速（通常为0.1~0.5L/min）。

四、吸收性能的优化策略与应用潜力

1. 优化策略

结构改性：通过在8-HQ-ILs中引入双功能基团（如同时引入8-羟基喹啉与胺基、羧基），增强与VOCs的多重相互作用，提升吸附容量与选择性；例如，胺基修饰的8-HQ-ILs对酸性VOCs（如乙酸、甲醛）的吸附容量可提升30%~50%；

复配使用：将8-HQ-ILs与其他功能化离子液体（如咪唑类、吡啶类）或有机溶剂（如乙二醇、甘油）复配，兼顾对不同类型VOCs的吸附性能，实现广谱吸收；例如，8-HQ-ILs与[BMIM][BF4] 按1:1复配后，对苯与甲醇的混合VOCs吸附容量均可达0.20g/g以上；

负载化处理：将8-HQ-ILs负载于多孔载体（如活性炭、分子筛、硅胶）表面，解决离子液体黏度大、传质效率低的问题，提升吸附速率与处理量；负载后的复合材料吸附容量可达0.15~0.25g/g，且吸附-脱附循环稳定性更优；

脱附再生：采用加热脱附（80~120℃）、减压脱附或惰性气体吹扫脱附，可实现8-HQ-ILs 的再生，再生次数可达5~10次，吸附容量保留率≥90%，降低运行成本。

2. 应用潜力

工业废气处理：适用于化工、制药、涂装、印刷等行业产生的VOCs废气（如甲苯、乙醇、乙酸乙酯、氯仿等），可单独作为吸收剂或与吸附、催化燃烧等技术联用，实现VOCs的高效脱除；

室内空气净化：对室内挥发性污染物（如甲醛、苯、甲苯）具有高选择性吸附能力，可制备成吸附材料用于空气净化器、活性炭包等产品，改善室内空气质量；

溶剂回收：利用其对特定VOCs的高选择性，可用于工业生产中溶剂的回收再利用（如制药行业的乙醇回收、化工行业的甲苯回收），降低资源浪费与环境风险。

五、局限性与未来发展方向

1. 局限性

合成成本高：8-HQ-ILs的功能化合成步骤复杂，原料价格昂贵，大规模应用受限；

黏度较大：纯离子液体黏度高（25℃时通常为500~2000mPa・s），导致VOCs传质效率低，吸附速率有待提升；

非极性VOCs吸附不足：对正己烷、环己烷等非极性VOCs的吸附容量较低，难以满足混合VOCs的全面处理需求。

2. 未来方向

低成本合成：开发简单高效的合成工艺，选用廉价原料，降低8-HQ-ILs的生产成本；

低黏度设计：通过引入短链烷基、氟代基团或与低黏度溶剂复配，降低离子液体黏度，提升传质效率；

多功能化改性：设计同时含8-羟基喹啉与疏水、亲水性基团的离子液体，实现对极性与非极性VOCs的广谱高效吸附；

工业应用验证：开展中试与工业试验，验证8-HQ-ILs在实际工业废气处理中的性能与稳定性，推动其产业化应用。

8-羟基喹啉基离子液体凭借其官能团与VOCs之间的氢键、π-π堆积、静电、卤键等多重相互作用，对芳香族、醇类、酯类、卤代烃等VOCs具有优异的吸附容量与选择性，尤其在极性与芳香族VOCs的脱除中展现出独特优势，其吸收性能受离子液体结构、VOCs理化性质及操作条件的综合影响，通过结构改性、复配、负载化等优化策略，可进一步提升吸附效率与实用性。尽管目前存在合成成本高、黏度大等局限性，但随着功能化离子液体合成技术与应用工艺的发展，8-HQ-ILs有望成为工业VOCs废气处理、室内空气净化等领域的高效吸收材料，为环保治理提供新的技术路径。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/