A Hierarchical Hybrid Method for Screening Ionic Liquid Solvents for Extractions Exemplified by the Extractive Desulfurization Process

离子液体 萃取(化学) 数量结构-活动关系 化学 吡啶 噻吩 COSMO-RS公司 选择性 萃取蒸馏 C4毫米 非随机双液模型 环丁砜 溶剂 烟气脱硫 稀释 活度系数 色谱法 有机化学 热力学 催化作用 水溶液 物理 立体化学
作者
Daili Peng,Anne-Jan Kleiweg,J.G.M. Winkelman,Zhen Song,Francesco Picchioni
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:9 (7): 2705-2716 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.0c07866
摘要

A hierarchical hybrid method combining experimental-database-derived estimation of extraction performance, quantitative structure–property relationship (QSPR)-based assessment of IL physical and environmental properties, liquid–liquid extraction (LLE) measurement, and process evaluation is proposed to screen practically suitable ionic liquid (IL) solvents for different extractions. From the literature, 47 424 infinite dilution activity coefficient (IDAC) data including 12 IL families (e.g., imidazolium, pyridinium, ammonium, etc.) and 13 organic families (e.g., alkanes, aromatics, alcohols, etc.) are collected. On the basis of the IDAC data, the extraction performance of ILs for a specific separation can be estimated in terms of the distribution ratio and selectivity at infinite dilution. The ILs with potentially high extraction performance and meeting the physical and environmental properties criteria are selected to perform LLE experiments. Subsequently, process simulation and evaluation using the selected IL solvents are performed by Aspen Plus. To exemplify the proposed method, the extractive desulfurization (EDS) process is taken as a case study, where [EMIM][MESO3] (1-ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate) and [EIM][NO3] (1-ethylimidazolium nitrate) are selected after IDAC database searching and QSPR analysis. Experimental LLE with the two ILs are determined, demonstrating their promising extraction performance with the maximum selectivity (S23max) for thiophene/heptane of 420 and 281.9, respectively. By fitting the NRTL model correspondingly, two processes using the screened ILs and sulfolane are developed and compared using Aspen Plus. It turns out that the two ILs save 66% and 48% in solvent requirements and 54% and 55% in energy consumption compared to those of sulfolane for the EDS task, respectively.
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