Каково промышленное применение ионных жидкостей?

Ионные жидкости (ИЛ), часто описываемые как соли в жидком состоянии при комнатной температуре или около нее, стали универсальными веществами в различных промышленных процессах. Ионные жидкости, характеризующиеся незначительным давлением пара, высокой термической стабильностью, отличными сольватирующими способностями и настраиваемыми свойствами, все чаще находят применение в широком спектре отраслей промышленности. В этой статье представлен всеобъемлющий обзор промышленного использования ионных жидкостей, включая химическое производство, хранение энергии, обработку металлов, фармацевтику и защиту окружающей среды.

Химическая и нефтехимическая промышленность
Одним из наиболее известных секторов, использующих ионные жидкости, является химическая и нефтехимическая промышленность, где ИЖ служат экологически чистыми растворителями и реакционными средами для ряда органических синтезов и каталитических процессов.

Катализ и синтез: Ионные жидкости обеспечивают идеальную среду как для гомогенного, так и для гетерогенного катализа. Их нелетучесть и способность растворять широкий спектр органических и неорганических соединений делают их особенно полезными в таких реакциях, как алкилирование, гидрирование и полимеризация.

Процессы разделения: ИЖ также приобрели популярность в методах экстракции и разделения. Например, их используют в жидкостно-жидкостных экстракциях для отделения ароматических соединений от алифатических углеводородов или удаления серосодержащих соединений при десульфурации топлива.

Смазочные материалы и присадки. Благодаря своей превосходной термической и окислительной стабильности ионные жидкости исследуются в качестве высокоэффективных смазочных материалов или присадок к смазочным материалам, особенно для экстремальных условий эксплуатации.

Энергетические и электрохимические приложения
Ионные жидкости играют ключевую роль в развитии энергетических технологий, особенно в тех областях, где традиционные растворители или электролиты не справляются.

Электролиты в батареях и суперконденсаторах. ИЖ используются в качестве электролитов в литий-ионных, натрий-ионных и металло-воздушных батареях из-за их широкого электрохимического окна, высокой ионной проводимости и преимуществ безопасности. Они улучшают термическую стабильность и снижают риск возгорания.

Топливные элементы. В топливных элементах с протонообменной мембраной (PEMFC) ионные жидкости помогают улучшить свойства переноса ионов, особенно при высоких температурах, с которыми традиционные мембраны сталкиваются с трудностями.

Солнечные элементы. Некоторые ионные жидкости используются в качестве электролитов в сенсибилизированных красителями солнечных элементах (DSSC) из-за их стабильности при световом и термическом стрессе.

Обработка металлов и электроосаждение
Металлургическая промышленность использует ионные жидкости там, где традиционные водные или органические электролиты имеют ограничения.

Экстракция и очистка металлов: ИЖ используются в процессах электролиза и выщелачивания для извлечения и очистки редкоземельных элементов, алюминия и других металлов из руд и электронных отходов.

Гальваника: ионные жидкости служат альтернативными электролитами для осаждения металлов, таких как золото, серебро, платина и другие благородные металлы. Они обеспечивают лучшую эффективность по току, равномерное покрытие и снижение вреда для окружающей среды.

Ингибирование коррозии: некоторые ионные жидкости разработаны для использования в качестве антикоррозионных средств для металлических поверхностей, подвергающихся воздействию агрессивных химических сред.

Фармацевтика и биотехнология
Ионные жидкости продемонстрировали большие перспективы в фармацевтическом и биотехнологическом секторах благодаря своей способности стабилизировать биомолекулы и улучшать растворимость лекарств.

Состав и доставка лекарств: ИЛ могут повышать растворимость и биодоступность плохо растворимых лекарств. Некоторые ИЛ также проявляют противомикробную или противовоспалительную активность.

Ферментативные реакции: биокатализ в ионных жидкостях позволяет ферментам работать в неводной среде, часто улучшая стабильность и селективность.

Экстракция нуклеиновых кислот. Некоторые ИЛ можно использовать в протоколах экстракции РНК и ДНК, обеспечивая высокую чистоту и выход.

Окружающая среда и обработка отходов
Возможность настройки и селективность ионных жидкостей делают их идеальными для восстановления окружающей среды и контроля загрязнения.

Улавливание CO₂: Ионные жидкости для конкретных задач (TSIL) предназначены для поглощения углекислого газа, предлагая потенциально менее энергоемкую альтернативу традиционным системам на основе аминов.

Удаление тяжелых металлов: ИЖ могут избирательно связываться с ионами тяжелых металлов, таких как свинец, кадмий или ртуть, что делает их полезными при очистке сточных вод.

Замена растворителя. Из-за своей низкой летучести ионные жидкости считаются более экологически чистыми заменителями летучих органических растворителей (ЛОС), что способствует повышению экологичности производственных процессов.

Полимеры и материаловедение
Ионные жидкости интегрируются в современные материалы для различных высокопроизводительных применений.

Полимерные электролиты: их встраивают в полимерные матрицы для создания ионопроводящих мембран для использования в батареях, топливных элементах или датчиках.

Композитные материалы: ИЖ могут быть включены в композиты для улучшения термических и механических свойств или обеспечения способности к самовосстановлению.

Синтез наноматериалов: ионные жидкости выступают в качестве среды для синтеза и стабилизации наночастиц, наностержней и других наноструктур с контролируемой морфологией и дисперсией.

Переработка текстиля и целлюлозы
Текстильная промышленность проявила интерес к ионным жидкостям из-за их способности растворять целлюлозу без необходимости использования агрессивных химикатов.

Регенерация волокон: ИЖ используются для регенерации волокон на основе целлюлозы, таких как вискоза и лиоцелл, предлагая более экологичные методы производства.

Крашение текстиля: они также помогают в процессах крашения, улучшая поглощение красителя и снижая потребление воды.

Атомная промышленность
Ионные жидкости привлекают внимание из-за их потенциала в переработке ядерного топлива и утилизации отходов из-за их радиационной стойкости и селективности в отношении радиоактивных ионов.

Разделение актинидов. Для извлечения урана, плутония и других актинидов из отработавшего ядерного топлива были разработаны специальные ионные жидкости.

Радиационная стабильность: их химическая устойчивость к ионизирующему излучению делает их подходящими кандидатами для использования в радиоактивных средах.

Ионные жидкости представляют собой прорыв в промышленной химии, предлагая уникальное сочетание свойств, с которыми традиционные растворители и материалы не могут легко сравниться. От использования в качестве экологически чистых растворителей в химическом синтезе до использования в качестве современных электролитов в энергетических системах, ИЖ меняют стандарты во многих секторах. Их настраиваемые структуры открывают практически безграничные возможности для настройки, что делает их ценным инструментом в поисках более чистых, эффективных и устойчивых промышленных процессов. Поскольку исследования продолжаются и коммерческая доступность расширяется, ожидается, что в ближайшие годы объем ионных жидкостей в промышленности будет расти еще больше.