乙酸乙酯合成实验改进论文提纲

论文题目：离子液体吸收废印刷线路板热拆解过程中挥发性有机污染物

摘要：废印刷线路板（Waste Printed Circuit Board,WPCB）产量巨大且结构复杂,包含各种金属和有害成分。在热拆解过程中会产生毒性较大的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds,VOCs）,不仅危害人体健康,也危害周围环境。离子液体（Ionic Liquids,ILs）因其具有较低的挥发性、高溶解性、高电导率等优点,将其作为吸收剂处理VOCs是一种比较有前景的方法。但是离子液体数量巨大,若一一实验测定溶解度来筛选合适的吸收剂,既耗时又耗力。如何处理吸收VOCs后的溶液,降低后续处理的难度和危险性,也是目前在治理VOCs上所要关注的方面。基于以上问题,本文利用热力学预测模型——真实溶剂似导体屏蔽模型（Conductor-like Screening Model of Real Solvents,COSMO-RS）对离子液体吸收剂进行筛选,并对吸收后的溶液进行电化学降解。为离子液体的快速筛选和WPCB中VOCs的处理处置提供理论基础,推动离子液体在环境污染控制上的实际应用。本文对WPCB进行热拆解并收集不同温度下产生的VOCs废气,经气相色谱-质谱联用仪（Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS）对其组分进行检测。检测结果表明,在240和250℃工作温度下,乙酸乙酯和环戊酮是浓度较高的两种物质,其浓度分别为43.1、153mg/m3和105、252mg/m3,浓度百分比之和分别为76.3、67.3%。工作温度越高,VOCs物种浓度越高,且呈倍数增长。本文选择组分浓度较高的VOCs物种——乙酸乙酯和环戊酮。基于COSMO-RS模型分别计算其在270种离子液体（18种阳离子,15种阴离子）的溶解度。研究不同阴阳离子构型对溶解度的变化规律及溶解过程中的主导分子间作用力。预测结果表明,高表面屏蔽电荷密度峰、较长阴阳离子烷基链和亲电基团S=O的存在能够提高溶解度。静电力和范德华力对溶解过程起主导作用,而氢键能影响较小。选择部分离子液体测定其溶解性以验证模型的适用性。实验结果表明,虽然存在预测值与实验值之间存在误差,但从定性和半定量角度看,COSMO-RS模型可用于预测乙酸乙酯和环戊酮的溶解度并筛选离子液体。针对预测值与实验值间的误差,基于遗传算法对气态体系和液态体系分别进行模型的校正并提出校正方程。校正后,相对误差（RDs）整体减小,下降率在30%以上。虽然少部分RDs上升,但不影响COSMO-RS模型在半定量、定性层面的应用。气态和液态体系中的校正方程分别为校正后预测值（气态）=1.1558×预测值+0.0879和校正后预测值（液态）=1.063×预测值+0.1905。本文选择溶解性较好的1-癸基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰基亚胺盐（[Dmim]NTf2）作为吸收溶剂和电解质,研究不同因素对乙酸乙酯和环戊酮电化学行为的影响,包括扫描速率、底物浓度和温度。结果表明,乙酸乙酯和环戊酮在[Dmim]NTf2中发生的是受扩散控制的不可逆的电化学过程。该过程受扫描速率、底物浓度和温度的影响。在1V恒电位条件下电解2h,经GC-MS测定其降解产物。乙酸乙酯本身在离子液体中并未发生反应。环戊酮本身在离子液体发生开环反应,并部分转化为毒性较小的戊二酸。针对不同污染物浓度和温度,测定环戊酮降解产物的产率。结果表明,戊二酸产率随着环戊酮浓度增加而增加,浓度为0.17g/ml时,产率为59.2%。戊二酸产率随着温度的上升而先增加后减小,温度为35℃时,产率为61.5%。适当提高浓度和温度有利于反应向生成戊二酸方向进行。另外,本文还选择了常见且毒性较大的VOCs组分甲苯作为吸收对象。基于改进COSMO-RS模型计算其在816种离子液体（34种阳离子和24中阴离子）的溶解度。研究不同阴阳离子构型对溶解度的变化规律及溶解过程中的主导分子间作用力。预测结果表明,高表面屏蔽电荷密度峰、卤素阴离子的存在和长阴离子烷基链有利于甲苯的溶解。甲苯在Ac-类离子液体中的溶解度随着阳离子烷基链长的增加而减小,在PF6-类离子液体中的溶解度随着阳离子烷基链长的增加而增加。静电力对甲苯的溶解过程起主导作用,而范德华力几乎没有影响。选择部分离子液体测定其溶解性,验证模型的适用性。结果表明,从定性和半定量角度看,改进COSMO-RS模型可用于预测甲苯的溶解度。利用“一步法”合成[Emim]Ac作为吸收剂,研究甲苯溶解机理。红外谱图结果表明,合成的目标离子液体即为[Emim]Ac,[Emim]Ac吸收甲苯是一个物理吸收的过程。

关键词：废印刷线路板;挥发性有机污染物;COSMO-RS模型;离子液体;电化学降解

学科专业：工程硕士（专业学位）

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 VOCs治理技术

1.3 离子液体概述及应用

1.3.1 离子液体概述

1.3.2 离子液体吸收法的应用

1.4 计算机辅助设计与离子液体的筛选

1.5 论文主要研究内容

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线图

1.5.3 研究意义

第二章 VOCs废气采集及组分分析

2.1 引言

2.2 采样仪器及VOCs采集方法

2.3 VOCs组分分析

2.4 小结

第三章 COSMO-RS模型筛选离子液体吸收乙酸乙酯和环戊酮

3.1 引言

3.1.1 COSMO-RS原理

3.1.2 COSMO-RS计算细节

3.1.3 COSMO-RS的应用

3.2 溶解度预测结果

3.3 阳离子对溶解度的影响

3.3.1 阳离子种类对溶解度的影响

3.3.2 阳离子烷基链长对溶解度的影响

3.4 阴离子对溶解度的影响

3.4.1 阴离子种类对溶解度的影响

3.4.2 阴离子烷基链长对溶解度的影响

3.5 分子间作用力对溶解度的影响

3.6 模型验证及优化

3.6.1 实验方法与试剂

3.6.2 溶解度测定

3.6.3 模型校正

3.7 小结

第四章 电化学降解溶解于离子液体的VOCs

4.1 引言

4.1.1 电化学降解简介

4.1.2 电化学降解技术的应用

4.2 实验方法与器材

4.2.1 实验方法

4.2.2 实验试剂和器材

4.3 扫描速率对电化学行为的影响

4.4 底物浓度对电化学行为的影响

4.5 温度对电化学行为的影响

4.6 降解产物及产率测定

4.6.1 产物测定与分离

4.6.2 产率测定

4.7 小结

第五章 COSMO-RS模型筛选离子液体吸收甲苯

5.1 引言

5.2 溶解度预测

5.3 阳离子对溶解度的影响

5.3.1 阳离子种类对溶解度的影响

5.3.2 阳离子烷基链长对溶解度的影响

5.4 阴离子对溶解度的影响

5.4.1 阴离子种类对溶解度的影响

5.4.2 阴离子烷基链长对溶解度的影响

5.5 分子间作用力对溶解度的影响

5.6 模型验证

5.6.1 实验试剂与方法

5.6.2 溶解度测定

5.7 离子液体合成及吸收机理分析

5.7.1 离子液体的合成

5.7.2 吸收机理研究

5.8 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢