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【COSMOLOGIC应用实例】用COSMO-RS萃取全氟烷基酸的新型天然疏水深共晶溶剂的多标准设计
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【COSMOLOGIC应用实例】用COSMO-RS萃取全氟烷基酸的新型天然疏水深共晶溶剂的多标准设计

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摘要:

本研究采用分子模拟方法,确定了天然疏水深共晶溶剂(hess),用于提取合成废水中新出现的污染物全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)。hess用于此目的在文献中尚未报道,使其成为该领域的开创性贡献。首先,进行了广泛的文献检索,以生成74个非离子型HDES成分的列表。第二步,对天然成分进行系统筛选,鉴定出55种可用于合成hess的新化合物。然后使用真实溶剂类导体筛选模型(COSMO-RS)基于三个关键性能指标筛选129个潜在的HDES成分:分布比,选择性和无限稀释时的性能指数,与甲苯的预测性能相比作为基准,因为使用分子溶剂或DESs用于此目的从未在文献中报道过。提取性能最高的前20种HDES成分主要来自萜烯和萜类化合物族。中位致死剂量也用于毒性分析。采用多标准评价方法对液-液萃取(LLE)工艺的几个重要特性进行了评价,包括萃取性能、密度、蒸汽压、水溶性和DESs的浸出性。三辛基膦氧化物:2-甲基苯并噻唑(1:9)、三辛基膦氧化物:乙酸薄荷酯(1:4)和1,8-桉树脑:乙酸薄荷酯(2.5:1)三种hdes均显示出良好的效果。本研究提供了利用hess从废水中提取PFOA/PFOS的分子见解,并强调了使用多标准评估LLE单元的必要性。此外,该结果可作为进一步研究的起点,包括新的HDES成分的合成和表征,以及开发用于提取废水中PFOA/PFOS的优化HDES。

 

引言:

在过去的几十年里,由于多聚和全氟烷基物质(PFAS)的毒性、生物蓄积性和环境持久性,它们越来越多地释放到环境中,引起了全球越来越多的关注.全氟磺酸钠是一类种类繁多的合成含氟有机化合物,其疏水碳链与氟原子完全或部分饱和。

 

在PFAS中,全氟羧酸(PFCAs)(CnF2n+1COOH)和全氟烷基磺酸(PFSAs)(CnF2n+1SO3H),特别是全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS),如图1所示,是迄今为止在废水中遇到和研究最多的。

 

因此,在这项工作中,我们报道了使用COSMO-RS模型筛选129种HDES成分用于提取PFOA和PFOS。最佳hdes的评估包括毒性分析、固液平衡预测以及考虑液液萃取过程中各种关键特性的多标准评估,如萃取性能、密度、蒸汽压、水溶性和DES浸出性。将hess的预测结果与10种常用疏水性VOCs的预测结果进行了比较。这项工作强调了COSMO-RS作为一种强大的多标准选择工具在特定应用中的潜力,并为hess从废水中提取PFOA/PFOS的潜力提供了有价值的分子见解。所使用的方法的示意图如图2所示,该方法的详细描述将在以下章节中介绍。

计算细节:

将cosmo的文件导入BIOVIA COSMOtherm(2022版)进行量子化学模拟和预测。为水、PFOA、PFOS和18种HDES成分开发的几何优化3D结构示例如图3所示。

结果与讨论:

图4给出了18个典型HBAs和hdd的典型样品的σ-分布图和σ-电位。129个σ-剖面和σ-势的完整列表见补充资料的电子表格S.1和S.2。

 

为了确定萃取废水中PFOA/PFOS最有效的HDES组分,利用COSMO-RS在298.15 K和1atm条件下对无限稀释条件下的分布比(βi∞)、选择性(S∞)和性能指数(PI∞)进行了预测。结果以数字形式显示在表2中,按PI∞值降序排列,以图形形式显示在图5中。图5A为PFOA和PFOS的βi∞和S∞关系,图5B为PI∞值的直方图,图5C为PFOA和PFOS的PI∞比较。为了提高可读性,数据使用对数尺度(LOG10)表示,因为它跨越了几个数量级。

 

在这10种混合物中,从图6可以观察到,有3种混合物的摩尔比为2:1,包括{1,8-桉树脑+ 2-甲基苯并噻唑}、{2-甲基苯并噻唑+乙酸薄荷酯}和{凤耳酮+乙酸薄荷酯}。

 

预测结果在表5中以数字形式呈现,每个HDES/VOC为每个属性分配了从1到10的排名,并在图7中的雷达图中进行了说明。

总结:

通过分子模拟确定了天然疏水深共晶溶剂(hess)对废水中PFOA/PFOS的萃取效果最佳。首先,我们进行了深入的文献检索,整理了74个先前研究报道的非离子型hess列表。此外,系统筛选了新的天然HDES成分,鉴定了55个有潜力用于HDES合成的新化合物。

 

COSMO-RS基于三个关键性能指标:分布比、选择性和无限稀释时的性能指数(PI)来预测最佳的HDES组分。提取性能最高的前20种HDES成分主要来自萜烯和萜类化合物家族,这些成分最近被证明是形成HDES的优越候选者,特别是需要与水直接接触的应用。

 

结果表明,HDES提取效果最好的5个成分分别为1,8-桉叶油脑、2-甲基苯并噻唑、芬曲酮和乙酸薄荷酯,萃取效果优于甲苯。使用报告的中位致死剂量(LD50)进行的毒性分析显示,在前五种HDES成分中毒性最低的成分是芬曲酮和乙酸乙酯,其LD50分别为6,160和7,620mg/kg。这表明它们的毒性低于氯化胆碱成分,其LD50值为3900mg/kg。对前5个预筛选组分的前10个二元hde的固液平衡进行了预测,根据固液平衡确定了它们的共晶组成和熔融温度。为了实现可持续和有效的溶剂萃取工艺,对LLE工艺的各种重要性能进行了评估,包括萃取性能、密度、蒸汽压、水溶性和DES浸出性。这包括一种多标准评估方法。预测结果表明,三辛基膦氧化物:2-甲基苯并噻唑(1:9)、三辛基膦氧化物:乙酸薄荷酯(1:4)、1,8-桉树脑:乙酸薄荷酯(2.5:1)效果最好。结果还与10种常用的疏水性VOCs进行了比较,除了密度外,hess在所有方面都表现良好,其中VOCs优于hess。

 

该研究强调了在评估LLE系统时考虑多种标准的重要性,并为使用HDES从废水中提取PFOA/PFOS提供了有价值的分子见解。此外,它还展示了COSMO-RS如何被用作寻找新溶剂的强大工具。本研究结果可作为该领域进一步研究的起点,包括新的天然hdes的合成和表征,以及开发优化的绿色hdes来提取废水中的PFOA/PFOS。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.121996 

 

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