离子液体[emim]Ac密度和电导率的实验与理论研究

何丽娟，陈帅帅，李松波，刘素霞，田宝云

(1.内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.包头钢铁职业技术学院，内蒙古 包头 014010)

离子液体是一种由阴阳离子组成、熔点在室温或室温以下、呈现出液体状态的熔融盐[1]。近年来，国内外学者对离子液体的物性(例如密度、粘度和电导率等)进行深入研究[2-7]。段文斌等用Arrhenius方程和Vogel-Fulcher-Tamman(VTF)方程关联了[C2mim]Gly等5种甘氨酸离子液体的电导率随温度的变化规律，得出模型关联的相关系数均可高达0.99[8]。林明穗等使用多项式方程关联了离子液体[(CH3CH2)2NH2][HSO4]和[(CH3CH2)3NH][HSO4]的密度值，结果得出模型关联的平均相对偏差分别为0.003%，0.001%[9]。

针对目前离子液体[emim]Ac密度和电导率数据缺乏的现状，通过实验测定离子液体[emim]Ac的密度和电导率，并在实验数据的基础上选择合适的模型进行理论关联，为离子液体[emim]Ac的进一步研究提供了基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

[emim]Ac(99%)；蒸馏水。

DZF-6020真空干燥箱；SPY-Ⅲ玻璃恒温水浴；FA1104电子分析天平；DDS-307A数显电导率仪。

1.2 实验可靠性检测

为验证实验设备的可靠性，选用温度298.15 K、压力101.325 kPa下的蒸馏水对各实验设备的可靠性进行了检测，测定的实验值与蒸馏水的相关查询值进行对比，结果见表1。

表1 蒸馏水实验值与查询值对比Table 1 Comparison between experimental andreferrence values of distilled water

由表1可知，由实验设备测定的蒸馏水密度和电导率值与查询值具有高度吻合性，相对误差在实验允许范围内，故认为所选实验设备具有较高的精度，可用作离子液体[emim]Ac密度和电导率实验数据的测定。

1.3 离子液体[emim]Ac密度和电导率测定

1.3.1 密度测量 用电子分析天平称量经清洗干燥后的50 mL烧杯质量m1。用离子液体[emim]Ac对10 mL移液管进行润洗。量取50 mL离子液体[emim]Ac于100 mL烧杯中，水浴加热。用移液管取10 mL离子液体[emim]Ac于50 mL烧杯中，测定298.15，308.15，318.15，328.15，338.15 K下烧杯与离子液体[emim]Ac的总质量m2，则m2-m1为10 mL离子液体质量，计算离子液体[emim]Ac的密度值。

1.3.2 电导率测量 量取50 mL离子液体[emim]Ac于100 mL烧杯中，水浴加热，用数显电导率仪测定离子液体[emim]Ac在298.15，303.15，308.15，313.15，318.15 K下的电导率值。测量3次，取平均值。

1.4 离子液体[emim]Ac密度和电导率模型

1.4.1 密度数据模型关联 离子液体密度随温度的升高呈现出逐渐降低的线性变化趋势，因此可用误差相对较小的线性关系式进行离子液体密度数据的关联预测，其表达式为：

ρ=A-BT

(1)

式中，ρ为粘度；T为热力学温度，K；A、B均为线性方程的相关参数。

1.4.2 电导率数据模型关联 温度与电导率的关系用Vogel-Tammann-Fulcher(VTF)方程进行关联，其表达式为：

κ=κ0exp[-C/(T-T0)]

(2)

式中，κ为电导率；κ0、C和T0为VTF方程的经验常数；T0的值为273.15 K；T为热力学温度。

2 结果与讨论

实验测定的离子液体[emim]Ac的密度和电导率数据见表2。

表2 离子液体[emim]Ac的密度和电导率Table 2 Density and conductivity of ionic liquid [emim]Ac

由表2可知，在压力101.325 kPa，温度变化范围为298.15～338.15 K时，离子液体[emim]Ac的密度随温度的升高出现逐渐降低的趋势；电导率随温度的升高出现逐渐增大的趋势。

2.1 离子液体[emim]Ac密度

离子液体[emim]Ac的密度随温度的变化规律见图1。在温度范围为298.15～338.15 K时，密度值为1 072～1 024 kg/m3。

图1 [emim]Ac密度随温度变化实验测定及模型预测结果Fig.1 [emim]Ac density values of experimental andmodel prediction with temperature

由图1可知，离子液体[emim]Ac的密度随温度的升高呈现出逐渐降低的变化趋势，且下降的趋势基本呈现出线性变化的规律。

由图1计算得出线性方程参数A、B分别为1 415.9，-1.16，相关系数R2为0.991 7，最大相对偏差和平均相对偏差分别为1.43%和0.82%。可知离子液体[emim]Ac密度的模型预测值与实验测定值吻合度良好，故认为线性方程对离子液体[emim]Ac的密度预测具有较高可信性。

2.2 离子液体[emim]Ac电导率

离子液体的电导率大小受离子液体的粘度影响，温度是影响粘度的主要因素，故温度值对电导率的影响也至关重要。实验测定了标准大气压下，温度范围298.15～338 K时离子液体[emim]Ac的电导率，以温度T作为横坐标，电导率κ作为纵坐标作图，结果见图2。电导率值的范围为0.369～0.983 S/m。

因为离子液体的粘度值较大，所以随温度的升高离子液体粘度减小的趋势较为明显。同时在温度升高时，离子迁移速度增大，因此随温度的升高，离子液体电导率的值逐渐增大。

图2 [emim]Ac电导率随温度变化实验测定及模型预测结果Fig.2 [emim]Ac conductivity values of experimental andmodel prediction with temperature

由图2计算的参数κ0和C分别为1.766 9和40.34，相关系数R2高达0.982 6，最大相对偏差和平均相对偏差分别为2.91%和2.65%。因此，VTF方程可用于离子液体[emim]Ac电导率的预测。

3 结论

(1)实验测定了温度298.15～338.15 K的离子液体[emim]Ac的密度和电导率，分别为1 072～1 024 kg/m3、0.369～0.983 S/m；随着温度的升高，[emim]Ac的密度逐渐减小，电导率逐渐增大。

(2)由模型预测的[emim]Ac的密度和电导率数据与实验测定数据相比，各平均相对偏差和最大相对偏差分别为0.82%，2.65%和1.43%，2.91%，可知所选模型具有较高的精度，可用于[emim]Ac密度和电导率数据的关联。