雷志刚团队SPT：离子液体辅助液-液萃取法高效分离正己烷/乙酸乙酯共沸混合物

雷志刚团队在正己烷/乙酸乙酯共沸混合物分离方面取得突破，研究成果以“Ionic liquid-assisted extraction for separation of n-hexane and ethyl acetate: experimental and process performance evaluation（离子液体辅助萃取分离正己烷和乙酸乙酯：实验和工艺性能评价）”发表在Separation and Purification Technology上（中科院一区，IF=8.1，TOP期刊）。

正己烷（NAH）和乙酸乙酯（EA）是石油化工、食品、纺织、制药等化工行业中重要的有机溶剂，它们的混合物在接枝聚烯烃纯化领域具有重要应用。然而，正己烷在常压下会与乙酸乙酯形成共沸混合物，传统的精馏方法难以实现彻底分离，而特殊分离方法，如：共沸精馏，变压精馏以及萃取精馏的分离成本高昂且能耗巨大。因此，开发一种高效且低能耗的分离技术具有重要的应用价值。

近日，石河子大学雷志刚教授课题组利用离子液体辅助液-液萃取技术，探索了正己烷和乙酸乙酯共沸混合物分离的可行性，并通过理论计算和实验验证相结合的方法筛选出了合适的离子液体萃取剂。离子液体（ILs）作为一种新型的绿色溶剂，因其独特的物理化学性质，如：极低的蒸汽压、高热稳定性和可设计性强等特点，在分离领域受到了广泛研究。该研究首先利用真实溶剂的类导体屏蔽模型（COSMO-RS）从40种离子液体中筛选出三种离子液体（[EMIM][BF₄]、[BMIM][BF₄]和[BMIM][PF₆]）作为潜在的萃取剂。COSMO-RS模型可通过计算乙酸乙酯和正己烷在离子液体中的活度系数来预测其分离性能。理论计算结果表明，三种离子液体均具有较高的分离性能，且阳离子在萃取过程中起主导作用。进一步的量子化学计算和分子动力学模拟结果揭示了离子液体与乙酸乙酯/正己烷分子间的相互作用机制。结果表明，氢键是驱动离子液体从混合物中萃取乙酸乙酯的关键作用力，而正己烷与离子液体之间的相互作用主要由色散力主导。

为了验证理论筛选结果的可靠性，研究者在298.15 K下进行了液-液萃取平衡实验。实验结果表明，三种离子液体均能有效分离乙酸乙酯和正己烷，且分离因子（β）均大于1。分配系数（D）的顺序为[EMIM][BF₄] < [BMIM][BF₄] < [BMIM][PF₆]，但分离因子趋势相反。意味着在实际分离过程中，[BMIM][PF₆]需要较少的溶剂用量和较少的萃取级数即可达到所需的分离效果。随后，研究者使用UNIFAC-Lei 模型进行了热力学建模，并使用Aspen Plus软件对萃取过程进行了模拟和优化。模拟结果表明，所选离子液体均能实现乙酸乙酯和正己烷的高纯度分离（>99.5 wt%）。经济分析结果表明，[BMIM][BF₄]在年化总成本（TAC）方面具有优势，而[BMIM][PF₆]分离能耗更低。这表明在实际工业应用中，需要根据具体需求选择合适的离子液体。

该研究通过理论计算和实验验证，成功筛选出适合分离正己烷/乙酸乙酯共沸混合物的离子液体，并深入探讨了其分离机制和工业应用潜力。结果表明，离子液体辅助液-液萃取分离技术是一种高效且低能耗的分离技术，有望在工业规模上实现正己烷和乙酸乙酯的高效分离。未来的研究可以进一步探索离子液体的回收和再利用，以降低成本并提高过程的可持续性。此外，结合更多的工业实际条件，如温度、压力和混合物组成的变化，将进一步优化离子液体的选择和萃取工艺的设计。