离子液体强化水/乙酸低相对挥发度体系汽液平衡行为及DFT研究

本文系统研究了42种离子液体(ILs)对水/乙酸体系的分离强化作用，通过UV-Vis光谱揭示了ILs氢键受体碱性(HBA)与体系相对挥发度的指数关系，结合红外光谱(IR)和密度泛函理论(DFT)计算，阐明了[BMIM][DBP]最优分离性能的微观机制，为绿色溶剂设计提供了分子振动频率、氢键长度和NBO轨道稳定能等关键参数。

　　

Highlight

本研究通过系统筛选42种离子液体，揭示了阴离子类型对水/乙酸体系分离性能的主导作用，发现磷酸盐类ILs表现最优。紫外可见光谱证实ILs的氢键受体碱性(HBA)与相对挥发度呈指数关系，其中[BMIM][DBP]因卓越的氢键形成能力成为最佳夹带剂。红外光谱验证该IL不会引发乙酸成盐副反应。

Materials

实验采用纯度>99.8%的乙酸（国药集团）和>99.9%的蒸馏水（屈臣氏），经气相色谱(GC)验证无杂质。4-硝基苯胺(NA)和N,N-二乙基-4-硝基苯胺(DENA)购自阿拉丁生化，用于UV-Vis光谱测定ILs的氢键碱性参数β值。

Influence of IL structure on separation performance

研究显示：阴离子结构决定ILs性能排序为磷酸盐>醋酸盐≈对甲苯磺酸盐>硝酸盐≈四氟硼酸盐≈三氟甲磺酸盐>氢硫酸盐≈溴化物≈甲磺酸盐；阳离子核心影响次之，表现为咪唑鎓>吡啶鎓≈季铵盐>吡咯烷鎓；而烷基侧链长度存在最优值（C4-C6）。DFT计算表明，ILs与水的相互作用能比与乙酸高15-30 kJ/mol，这是提高相对挥发度的关键。

Conclusions

磷酸盐类ILs通过强氢键作用优先结合水分子，使乙酸相对挥发度提升2-5倍。振动频率红移和NBO稳定化能分析证实，O-H···O=P氢键（键长1.8-2.0 ?）是主要作用力，其轨道组成包含80%水分子孤对电子和20%磷氧反键轨道。该研究为设计高效、环保的分离体系提供了分子层面的设计准则。