《Chemical Engineering Journal》：Highly efficient H
2S absorption and conversion by cyclohexanone-enhanced ionic liquid composite systems
编辑推荐：
•提出并设计了一种功能化的离子液体-环己酮复合材料。•在313.2 K和1.0巴的条件下，实现了优异的H?S吸附性能（7.34 mol·kg?1）。•羰基和醋酸根基团对H?S的吸附性能有显著提升作用。•H?S可以通过水萃取转化为硫醇，并回收催化剂。引言天然气是工业脱碳和能源结构升
- •
提出并设计了一种功能化的离子液体-环己酮复合材料。
- •
在313.2 K和1.0巴的条件下，实现了优异的H?S吸附性能（7.34 mol·kg?1）。
- •
羰基和醋酸根基团对H?S的吸附性能有显著提升作用。
- •
H?S可以通过水萃取转化为硫醇，并回收催化剂。
引言
天然气是工业脱碳和能源结构升级的关键低碳能源[1],[2]。然而，原始天然气通常含有有毒且具有腐蚀性的H?S杂质，这些杂质会腐蚀运输和处理设备，并产生有毒的燃烧污染物，导致经济损失和环境污染[3],[4],[5],[6],[7],[8]。因此，高效去除H?S是安全、清洁利用天然气的前提。醇胺吸收法（如MEA、DEA、MDEA）由于其成熟的技术和低成本而成为工业上H?S去除的主要方法[9],[10],[11]，但它存在溶剂挥发、设备腐蚀严重、再生能耗高以及H?S/CO?选择性差等固有限制。这些瓶颈限制了传统胺类方法的应用，无法满足绿色化学发展的需求。作为一种新兴的绿色介质，离子液体（ILs）具有可调的结构、极低的挥发性和优异的热稳定性，因此在高级H?S纯化领域受到了广泛关注[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18]。
大多数报道的H?S捕获离子液体依赖于酸碱相互作用，例如基于叔胺的[19],[20]、基于超碱的酚类[21]、基于唑的[22]和基于质子硫醇盐的ILs[23]。然而，这种强的酸碱结合会导致高的再生能耗。此外，碱性活性位点容易竞争性地吸附CO?，从而显著降低H?S的分离选择性，限制了H?S的去除效果。因此，研究重点逐渐从传统的酸碱分离策略转向非酸碱途径的H?S纯化方法。
我们之前的研究表明，羰基可以作为高效的H?S捕获活性位点，通过可逆的亲核加成反应形成稳定的吸附中间体，实现高效且选择性的H?S吸附。已经开发了一系列羰基功能化的离子液体，包括质子化酮类ILs[24]、羰基功能化的金属ILs（CMILs）[25]、羰基功能化的疏水ILs（CHILs）[26]和多孔ILs[27]，这些材料表现出优异的H?S吸附能力和优异的H?S/CO?及H?S/CH?分离性能。然而，这些功能化离子液体的实际应用仍受到两个关键瓶颈的限制。一方面，复杂的合成步骤导致制备成本高且工业化规模较小；另一方面，引入功能基团不可避免地改变了ILs的固有物理性质，如粘度增加和热稳定性降低，这会降低气液传质效率，限制其大规模工业应用。为了突破这些应用限制，本研究放弃了对传统功能化离子液体的复杂改性策略，提出了一种创新的方法，通过添加易于获得的含羰基的环己酮（Cyc）来构建IL–环己酮（IL–Cyc）复合体系。ILs与Cyc之间的协同作用同时提高了H?S的吸附能力和分离选择性。为了保证复合体系的稳定性、实用性和吸附性能，筛选了两种类型的IL作为基质材料。第一类是商业化的咪唑基ILs，包括1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF?]）和1-丁基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）酰胺（[Bmim][Tf?N]）。这些ILs具有较高的商业可得性、优异的化学稳定性和良好的相容性，尽管其H?S吸附能力有限，但仍可作为稳定的基质载体。第二类是易于功能化的醋酸基ILs，即1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Bmim][Ac]）和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Emim][Ac]）。这些醋酸基ILs具有弱的氢键碱性，能与H?S形成温和的相互作用，从而具有内在的H?S吸附能力。同时，它们的低成本、低粘度和良好的流动性使得无需额外的结构修饰即可方便地制备复合体系。作为核心功能添加剂，Cyc具有低粘度和与ILs的优异互溶性，有效提高了复合体系的传质效率。更重要的是，Cyc中的羰基作为H?S的特异性识别位点，与IL基质形成协同吸收效应，从根本上提升了复合体系的H?S捕获性能。
在本研究中，选择了四种典型的咪唑基ILs（[Bmim][BF?]、[Bmim][Tf?N]、[Bmim][Ac]和[Emim][Ac]作为基质材料，并引入Cyc作为功能添加剂，构建了新型的IL–Cyc复合体系（图1），旨在实现高效的H?S捕获、分离和资源转化。系统地表征了复合材料的物理性质（密度和粘度）。实验结果表明，IL–Cyc复合体系具有优异的H?S吸附能力，能够有效分离H?S/CO?和H?S/CH?混合物。进一步通过热力学测量、光谱表征和理论模拟阐明了优化后的[Emim][Ac]–Cyc复合体系的协同吸收机制。此外，还探索了该复合体系在H?S转化中的催化性能，并提出了一种可能的反应-分离集成工艺。本研究为低成本、高效率脱硫材料的设计和工业应用提供了可行的思路。
章节摘要
化学品
H?S（纯度99.99%）购自上海同辰特种气体有限公司；CO?（纯度99.99%）和CH?（纯度99.99%）购自锦红气体有限公司；1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF?]，纯度99%）、1-丁基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）酰胺（[Bmim][Tf?N]，纯度98%）、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Bmim][Ac]，纯度99%）和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[Emim][Ac]，纯度97%）购自上海麦克林生化有限公司。
配方筛选
在系统研究之前，进行了配方筛选以确定最佳的IL与Cyc的质量比。以[Emim][Ac]–Cyc体系为例，制备了三种质量比（IL:Cyc = 2:1、1:1和1:2）的吸附剂，并系统测量了它们的H?S吸附等温线和粘度。如图S2a和表S1所示，在313.2 K和1.0巴条件下，H?S的吸附性能顺序为1:2（7.65 mol·kg?1）≈ 1:1（7.32 mol·kg?1）> 2:1（5.63 mol·kg?1）。
结论
在本研究中，四种市售的咪唑基IL分别与Cyc混合，构建了IL–Cyc复合吸附剂，无需对IL骨架进行复杂的化学修饰。引入Cyc有效降低了纯IL的粘度，改善了复合材料的传质性能。在所有测试样本中，[Emim][Ac]–Cyc和[Bmim][Ac]–Cyc在313.2 K和1巴条件下的吸附性能最为优异，达到7.34 mol·kg?1。
CRediT作者贡献说明
吴贤坤：撰写——原始稿件、可视化、方法学、实验研究、数据整理。徐慧琴：撰写——审稿与编辑、监督、软件应用、概念构思。黄凯基：软件应用、实验研究。郑文涛：数据分析。吴友亭：监督、项目管理、资金争取。张晓敏：监督、资源协调、资金争取。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本研究得到了国家自然科学基金（编号：22678268）和
