低转变温度混合物(LTTMs)萃取分离正丁醇/水体系的溶剂筛选及机理研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:ycw
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在化工分离过程中,传统有机溶剂存在易挥发,污染环境,能耗高等缺点。随着人们绿色环保意识不断增强,绿色溶剂替代传统有机溶剂成为研究热点之一。而低转变温度混合物(LTTMs)作为一类新型绿色溶剂由氢键供体和受体构成,具有蒸气压低、合成简单、价格低廉等优点,可用于萃取分离过程,但由于其种类繁多,针对特定的分离体系,需要采取有效的方法选取适宜的LTTMs。同时为深入了解LTTMs的微观特性及分离机理,更好的促进其工业化应用,从微观的角度利用量子化学进行理论研究。本文对正丁醇/水体系的萃取剂LTTMs进行了筛选,并对萃取分离机理进行了探究,主要研究内容如下:基于分子表面有效屏蔽电荷密度(?图谱)和预测型热力学模型COSMO-SAC,对正丁醇/水体系进行了萃取剂LTTMs的筛选。首先通过材料分析模拟软件Materials Studio分别对氢键供体和受体分子进行结构优化,能量计算生成COSMO文件,然后通过表面电荷平均化Fortran程序计算分子的?图谱,将氢键供体和受体的?图谱以线性组合的方式建立LTTMs的?图谱数据库。利用COSMO-SAC分别计算了正丁醇和水在480种LTTMs中的无限稀释活度系数,基于这些无限稀释活度系数得出溶剂的性能指标:选择性、溶解度和性能指数,进而筛选出适宜的萃取剂LTTMs:氯化胆碱-甘油1:2(LTTM1)及氯化胆碱-尿素1:2(LTTM2),并进行了?图谱作用分析。为验证理论筛选结果的可靠性,利用制备的溶剂:LTTM1和LTTM2,在常压、30℃下,对水+正丁醇+LTTMs三元体系进行液液相平衡实验,采用Othmer-Tobias方程对实验数据进行校验,表明数据质量较好,并将实验数据和NRTL模型进行了关联。通过实验数据分析得出两种LTTMs均可以分离正丁醇/水,且萃余相中基本上没有溶剂LTTMs,证明了本文采用的理论筛选的准确性和可靠性。氢键供体与受体微观作用研究有助于了解LTTMs的特性,LTTMs与水和LTTMs与正丁醇的微观作用研究有利于阐明萃取分离机理,为溶剂设计提供理论支撑。通过单分子结构优化及复合物结构优化确定稳定构型,利用分子间相互作用能、分子中原子理论和独立梯度模型进行研究分析。计算结果发现氢键供体与受体之间的作用强度较大,且主要是它们之间的氢键作用,解释了LTTMs的形成本质;虽然LTTMs与水、LTTMs与正丁醇之间均存在氢键,但是LTTMs与水之间的氢键强度更强,而且两种LTTMs与水总的相互作用强度均大于LTTMs与正丁醇的。从微观角度解释说明LTTMs与正丁醇/水共同存在时,LTTMs会优先与水发生相互作用,而且主要归因于它们之间强氢键作用。
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