利用COSMO-RS预测和实验验证研究离子液体对甲苯的吸收能力和机理

离子液体(ILs)作为绿色溶剂，非常适合于吸收挥发性有机化合物(VOCs)，如苯及其同系物。然而，溶剂的选择是VOCs吸收过程的关键。在本研究中，使用了一种快速溶剂筛选工具，真实溶剂似导体屏蔽模型(COSMO-RS)，预测了甲苯在816种ILs中的溶解度。讨论了阳离子和阴离子的类型、烷基链长等四种结构特征对甲苯溶解度的影响。

结果表明:

(1)吡咯烷鎓盐型(pyrrolidinium)阳离子的ILs比吡啶盐型(pyridinium)和咪唑啉型(imidazolium)离子具有更好的溶解度。

(2)甲苯在PF₆基ILs中的溶解度随着烷基链长的增加而增大，而在Ac基ILs中的溶解度则相反。

(3)甲苯在Cl基ILs中的溶解度高于其他阴离子。

(4)甲苯的溶解度随阴离子烷基链长的增加而增大。因此Ac基离子液体是最有希望的溶剂，并本文进一步研究了各种相互作用能参数与甲苯溶解度的关系。结果表明，在吸收过程中错配能起主导作用。此外，对选择的几种ILs预测液态和气态甲苯溶解度进行了实验验证。结果表明，COSMO-RS可用于半定量和定性预测甲苯的溶解度，该模型在筛选ILs吸收VOCs方面具有广阔的前景。综上所述，本研究为VOCs的控制和治理提供了基础依据和实用数据。

挥发性有机化合物(VOCs)在室温下具有很高的蒸气压。VOCs参与了大气臭氧(O₃)和二次有机气溶胶(SOA)的形成，对空气质量和人体健康产生了严重的不利影响。目前已报道了多种去除VOCs的方法，如溶剂吸附法、多孔碳吸附法、生物降解法、热氧化法和膜分离法等。其中溶剂吸收法具有设备简单、效率高等优点，在VOCs处理工艺中广泛采用。然而，大多数有机溶剂是挥发性的，有毒的，很难从VOCs中分离回收。因此，溶剂的不当处理可能会导致严重的环境问题。

ILs是由有机阳离子和无机/有机阴离子组成，比有机溶剂更环保。ILs具有低挥发性，与常规溶剂混溶，蒸汽压接近零等特点。这些独特的性质在绿色化学中具有广阔的应用前景，如化学溶剂或催化剂等。由于这些原因，ILs被认为是传统有机溶剂的新替代品。

理论上可合成的ILs超过10¹⁸个。因此，快速有效地确定最适合应用的IL是相当困难的。进行多次试错实验会浪费资源和时间。为了实现快速、合理的筛选，建立了真实溶剂似导体屏蔽模型(COSMO-RS)，可用于对活度系数、溶解度、亨利系数和相平衡等参数进行快速热力学计算。此外，COSMO-RS对实验数据的需求较低，已被广泛应用于ILs性质的预测。比如，已用COSMO-RS筛选出240种ILs作为潜在的沥青质萃取剂。研究结果表明，在常温常压下，含杂原子芳香阳离子和空间位阻阴离子的离子液体更有利于沥青质的脱除。结合COSMO-RS和Aspen Plus多尺度模拟方法，筛选出300多种潜在的乙炔吸收剂。模拟结果表明，两种离子液体（1-butyl-3-methylimidazolium阳离子与醋酸盐或磺酸盐阴离子）由于其充分的热力学和动力学特性而表现出竞争性的溶剂性能。然而，该预测模型并不适用于每一个系统，筛选后仍需进行实验验证。

在本研究中，使用COSMO-RS方法预测了甲苯(一种典型的VOCs组分)在816种ILs(34种阳离子和24种阴离子)中的溶解度。讨论了四种结构特征（阳离子类型、阳离子烷基链长、阴离子类型和阴离子烷基链长）对甲苯在ILs中溶解度的影响。此外，还研究了各种相互作用能与溶解度之间的关系。为了验证模型的准确性，选取了其中几种ILs进行溶解度实验研究。本研究旨在为VOCs污染控制和治理提供基础依据和实际数据。