随着环境法规的日益严格,油品中氮化物的脱除引起研究学者的广泛关注。与其他脱氮技术相比,离子液体脱氮技术由于反应条件温和、工艺操作简单,且可避免常规有机溶剂挥发带来的环境污染,已成为燃料油脱氮技术中具有发展潜力的新技术。然而已有的研究表明,离子液体脱氮性能单一,少有离子液体能同时高效脱除油品中的碱性氮和非碱性氮,而且对其脱氮机理的研究也很少。本文合成了三种不同类型的离子液体,用于同时脱除柴油中的碱性氮化物和非碱性氮化物,并运用密度泛函理论探讨了离子液体的结构及其与氮化物(喹啉、吲哚)之间的作用机理,为设计开发新型脱氮离子液体提供理论依据。合成了常规的Br?nsted酸性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([Bmim]HSO₄)。与其他阴离子(CH₃COO^-,CF₃COO^-,Cl^-,BF₄^-,Br^-)的常规咪唑类离子液体相比,[Bmim]HSO₄具有最佳的同时脱除碱性氮和非碱性氮性能,对喹啉和吲哚的脱除率均可达99.0%以上,且与文献报道的离子液体[(CH₃CH₂)₃N(CH₂)₃SO₃H]HSO₄脱除吲哚相比,萃取时间明显缩短。采用Gaussian03软件,应用密度泛函理论,在B3LYP/6-311+G(d,p)水平上系统研究了离子液体[Bmim]HSO₄的几何结构、电子结构及其与喹啉、吲哚分子间相互作用的稳定结构,自然键轨道(Natural Bond Orbital,NBO)分析表明阴阳离子间轨道相互作用主要通过LPO→BD*C-H相互作用。离子液体的阴离子[HSO₄]^-中的氢原子与喹啉分子中的氮原子之间有较强的相互作用,而在吲哚与[Bmim]HSO₄离子液体之间的作用中,起主导作用的是吲哚分子中N-H的氢原子与离子液体阴离子[HSO₄]^-中氧原子之间的氢键作用,这些强的相互作用是离子液体[Bmim]HSO₄从油品中脱除喹啉、吲哚的主要动力。离子液体[Bmim]HSO₄与喹啉、吲哚的相互作用能分别为32.95 kJ/mol、44.29 kJ/mol。首次合成了[Bmim]Br-多元酸(醇)低共熔离子液体。对[Bmim]Br-丙二酸进行红外表征和核磁共振氢谱分析,并采用密度泛函理论方法详细考察了[Bmim]Br-丙二酸的几何结构和电子性质。分子内原子(Atoms In Molecules,AIM)和NBO分析表明:在[Bmim]Br-丙二酸低共熔离子液体中,组分之间存在较强的静电作用和氢键作用,与仪器表征结果基本一致。低共熔离子液体脱氮性能研究发现:[Bmim]Br-0.8丙二酸具有良好的同时脱除碱性氮和非碱性氮性能,其脱氮机理与[Bmim]HSO₄离子液体脱氮机理相同。在剂油质量比1:7的条件下,[Bmim]Br-0.8丙二酸低共熔离子液体对喹啉、吲哚的脱除率分别为97.0%、95.7%,且该溶剂回用4次后,喹啉、吲哚的脱除率仍然可达85.1%、88.7%。合成了铁基金属离子液体([C_nmim]Br-FeCl₃)和锌基金属离子液体[Bmim]Br/ZnCl₂。研究发现:铁基金属离子液体的粘度明显小于锌基,在较低的萃取温度下(30℃)表现出较好的碱性氮和非碱性氮脱除性能,喹啉及吲哚的脱除率分别为99.1%、89.3%。而且与单纯的[Bmim]Br离子液体相比,FeCl₃的加入能大幅度提高对喹啉的脱除效果,可归因于具有Lewis酸性的三价Fe物种与具有Lewis碱性的氮分子之间的相互作用及该离子液体的良好流动性。在回收利用4次后,[Bmim]Br/FeCl₃离子液体对喹啉的脱除率仍可达到92.3%,有良好的重复使用性能。优选出[Bmim]HSO₄、[Bmim]Br/FeCl₃及[Bmim]Br-0.8丙二酸离子液体,以高氮含量的抚顺页岩油柴油为原料考察离子液体对实际油品中碱性氮和非碱性氮的脱除性能。结果表明:在温度30℃、油剂质量比为7:1、水剂质量比为2:1、萃取时间为20 min和静置时间为2 h的条件下,[Bmim]HSO₄离子液体对柴油馏分的碱氮及总氮脱除率分别可达90.0%和71.3%;采用[Bmim]Br/FeCl₃、[Bmim]Br-0.8丙二酸脱除柴油馏分中的氮化物,在剂油质量比1:1的条件下,碱氮及总氮脱除率分别为95.3%、89.8%和88.9%、83.0%。进一步研究发现:离子液体用于高氮页岩油柴油的脱氮处理,不仅碱性氮化物和非碱性氮化物得到有效脱除,同时硫化物也得到一定程度的脱除,而且精制后页岩油柴油的密度、粘度、凝点均有所降低,油品质量得到良好改善。