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。

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。

图1 （a）298K下，甲苯在不同阳离子ILs中的溶解度预测。（b）由COSMO-RS得到的甲苯和三种阳离子的p(σ)图。

图2 COSMO-RS计算得到六种不同烷基链长的ILs在298k下的溶解度。

图3 298 K下甲苯在不同阴离子ILs中的溶解度预测。

 图4 （a）298K下，甲苯在不同阴离子ILs中的溶解度预测。（b）由COSMO-RS得到的阴离子的p(σ)图。

图5 Ac基ILs中298 K时甲苯的溶解度和IL /甲苯相互作用能的比较。

图6 液态和气态甲苯（molTol/molIL）计算和实验溶解度的对比。

 COSMO-RS预测结果表明:(1)吡咯烷鎓盐型（pyrrolidinium）的ILs展现出比吡啶盐型（pyridinium）和咪唑啉型（imidazolium）更优的溶解度。(2)甲苯在PF₆基离子液体中的溶解度随阳离子链长的增加而增加。相反，甲苯在Ac基离子液体中的溶解度随烷基链长的增加而降低。(3)甲苯在Cl基离子液体中的溶解度比在其它阴离子液体中的溶解度高，这是由于它具有较大的电负性。(4)以硫酸盐基阴离子为例，随着阴离子烷基链长的增加，其溶解度增加。

根据模拟结果，选择了Ac基ILs作为潜在的甲苯溶剂。并发现在吸收过程中，错配能占主导地位。

此外，预测的甲苯溶解度与实验的甲苯溶解度之间存在良好的半定量和定性相关性，表明COSMO-RS方法是一种很有前途的筛选ILs用于VOCs吸收处理的工具。