鄧晶晶 ,羅澤軍 ,王 儲(chǔ) ,朱錫鋒
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 安徽 合肥 230026)
生物油是生物質(zhì)熱解氣冷凝的液體產(chǎn)物,由于含氧量高、含水率高、酸性較強(qiáng)、熱值低等缺點(diǎn)[1],其實(shí)際應(yīng)用受到阻礙。然而生物油中富含醛類、酮類、酚類、醇類、酯類、羧酸類等物質(zhì)[2],通過多種物理化學(xué)手段進(jìn)行提質(zhì)提純[3,4],可使其在高值化學(xué)品的工業(yè)化生產(chǎn)上有廣闊的應(yīng)用前景。其中,蒸餾技術(shù)作為一種高效和經(jīng)濟(jì)性的工業(yè)分離方法,在生物油的分離提質(zhì)上有廣泛應(yīng)用[5-7]。生物油經(jīng)蒸餾處理后其會(huì)分為水相餾分和油相餾分。其中,油相餾分的黏度降低、熱值提高[8],經(jīng)催化加氫[9]、催化裂化[10]等再提質(zhì)方法處理后可作為高值化合物進(jìn)行應(yīng)用。而水相餾分中水分含量高[11],具備較低的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,相關(guān)研究也相對(duì)較少。但水相餾分中的苯酚、鄰甲酚等物質(zhì)即使在較低的濃度下仍會(huì)對(duì)人體器官造成損害[12],因此,須將其從水相餾分中分離回收,降低環(huán)境污染危害。
目前,有機(jī)溶劑[13]、深共熔溶劑[14]、生物試劑[15]等萃取劑已廣泛應(yīng)用于酚類化合物的萃取分離。相較于以上萃取劑,室溫離子液體(ILs)因其環(huán)境友好、揮發(fā)性小、熱穩(wěn)定性高和對(duì)許多無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)的良好溶解性等優(yōu)點(diǎn)[16-19]受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。Ng 等[20]利用三種高疏水性的離子液體[Bmim][PF6]、[Bmim][NTf2]、[Bmim][FAP]去除水中的苯酚,結(jié)果顯示,[Bmim][NTf2]具有96.21%的高萃取率。而Fan 等[21]的研究結(jié)果顯示,離子液體對(duì)水中喹啉的萃取率與其疏水性大小一致:[Bmim]Cl < [Bmim]BF4< [Bmim][NTf2],表明離子液體的疏水性對(duì)其萃取效果中有重要影響。但是,將以上疏水性離子液體用于萃取分離生物油水相餾分中苯酚、愈創(chuàng)木酚等酚類污染物的相關(guān)研究鮮有報(bào)道,同時(shí)少有離子液體萃取酚類化合物的作用機(jī)理分析研究。
為此,本研究選取高疏水性的離子液體[Bmim][NTf2]萃取分離生物油水相餾分中的酚類污染物,探究萃取時(shí)間、萃取劑添加量對(duì)萃取率的影響;結(jié)合密度泛函理論(DFT)計(jì)算,分析闡述[Bmim][NTf2]與酚類化合物間的相互作用機(jī)理;同時(shí)對(duì)離子液體的循環(huán)使用性能和回收方法進(jìn)行研究,成功實(shí)現(xiàn)[Bmim][NTf2]的循環(huán)再萃取,為生物油蒸餾產(chǎn)物高值化應(yīng)用過程中產(chǎn)生的酚類污染物處理提供參考與借鑒。
實(shí)驗(yàn)用生物油由本課題組自主研制的生物質(zhì)流化床熱解耦合分級(jí)冷凝裝置制備,水相餾分的獲取方法如下:將生物油在常壓、加熱溫度280 ℃下蒸餾3 h,餾分靜置24 h后將上層水相餾分分離,并室溫密封保存。1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺?;啺符}([Bmim][NTf2],≥ 98%)購于上海麥克林生化科技有限公司,氫氧化鈉(分析純)購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
稱取5 g水相餾分與一定質(zhì)量的[Bmim][NTf2]置于10 mL離心管中,在室溫下通過磁力攪拌器攪拌設(shè)定時(shí)間后,通過離心將上層水相與下層[Bmim][NTf2]萃取相(以下簡(jiǎn)稱萃取相)分離,每組萃取實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次。
萃取率(Extraction efficiency)的計(jì)算方法如下:
式中,c0(mg/L)和c1(mg/L)分別為萃取前后水相餾分中特定化合物的質(zhì)量濃度。
通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS,TraceDSQII)對(duì)水相餾分進(jìn)行組分分析,氣相色譜儀的色譜柱型號(hào)為TG-5MS,設(shè)定的進(jìn)樣口溫度為280 ℃,GC升溫程序?yàn)椋?0 ℃保持2 min;然后以升溫速率3 ℃/min,升溫到180 ℃并保持4 min;最后以升溫速率10 ℃/min升溫至280 ℃并保持3 min。
利用氣相色譜-火焰電離檢測(cè)器(GC-FID,GC1690)檢測(cè)水相餾分中有機(jī)組分在萃取前后的實(shí)際含量變化。檢測(cè)時(shí)利用均四甲苯作為內(nèi)標(biāo)物,利用內(nèi)標(biāo)法計(jì)算被測(cè)物的實(shí)際濃度。色譜柱型號(hào)采用TR-35S,柱箱溫度設(shè)定如下:在50 ℃下保持3 min,然后以4 ℃/min的速率升至100 ℃;最后以8 ℃/min升至280 ℃,并保持4 min。
采用600 MHz核磁共振波譜儀(AVANCE III,Bruker,Switzerland)進(jìn)行離子液體 [Bmim][NTf2]的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試,以氘代二甲亞砜(DMSO-d6)為溶劑。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下:脈沖角45°,馳豫時(shí)間1 s,測(cè)試溫度40 ℃。
本研究利用Gaussian 16程序進(jìn)行DFT計(jì)算,乙酸、酚類化合物分別在水和離子液體為溶劑環(huán)境下的自由能G(298.15 K、0.1 MPa)計(jì)算過程如下:在B3LYP/6-311G(d)水平上對(duì)模型分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和頻率分析, 保證得到的結(jié)構(gòu)是勢(shì)能面上的極小點(diǎn)(無虛頻);在M05-2X/6-31G(d)水平上分別進(jìn)行氣相和液相中模型分子的能量計(jì)算,溶液相的計(jì)算采用SMD溶劑模型,同時(shí)利用DFTD3進(jìn)行色散矯正[22]。溶劑環(huán)境下溶質(zhì)自由能G的計(jì)算公式如下[23]:
式中,Gg為1 atm溶質(zhì)在氣相下的自由能;ΔGs為1 mol/L溶質(zhì)在溶劑模型中的溶劑化自由能;1.89 kcal/mol為標(biāo)況下氣體從0.1 MPa到1 mol/L的濃度改變時(shí)的自由能變。
苯酚與[Bmim][NTf2]間的弱相互作用能計(jì)算過程如下:在B3LYP/6-31+G(d)水平上對(duì)苯酚和[Bmim][NTf2]的模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和頻率計(jì)算;利用genmer+molclus[24]程序進(jìn)行構(gòu)型搜索,并結(jié)合MOPAC程序進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和優(yōu)化,得到苯酚與[Bmim][NTf2]間最穩(wěn)定的結(jié)合構(gòu)型;對(duì)最穩(wěn)定構(gòu)型在M06-2X/ma-TZVP水平上進(jìn)行能量計(jì)算[25]。計(jì)算時(shí)選擇水為溶劑,溶劑模型以及色散矯正同上。弱相互作用能的計(jì)算公式如下[26]:
式中,E(A···B)為苯酚與 [Bmim][NTf2]配合物的單點(diǎn)能、E(A)和E(B)分別為苯酚與[Bmim][NTf2]的單點(diǎn)能,BSSE是由counterpoise 法計(jì)算的基組重疊誤差。同時(shí)本文利用RDG法結(jié)合Multiwfn 3.8程序[27]以及VMD 1.9.2程序[28]繪制其RDG等值面圖和散點(diǎn)圖,實(shí)現(xiàn)弱相互作用的可視化。RDG函數(shù)是約化密度梯度函數(shù),定義為[29]:
式中, ρ (r)和? ρ(r)分別為電子密度及其一階導(dǎo)數(shù)。
通過GC-MS分析可對(duì)水相餾分中有機(jī)化合物的種類進(jìn)行檢測(cè),得到其組分分布,如圖1所示。經(jīng)GC-MS譜峰分析可知,水相餾分中的有機(jī)物以乙酸、苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚為主,除此之外還含有少量的丙酸、環(huán)戊烯酮、2-甲基環(huán)戊烯酮、鄰苯酚等物質(zhì)。由表1可得,水相餾分中的主要有機(jī)組分乙酸、苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚的相對(duì)含量分別為19.68 %、19.44 %、16.41 %、10.01 %。用FID內(nèi)標(biāo)法計(jì)算出的四種化合物實(shí)際含量分別為162623.46、2674.21、7469.60、1721.92 mg/L,而美國環(huán)境保護(hù)署規(guī)定廢水中酚類化合物的含量不得高于1 mg/L[30]。因此,本研究選取水相餾分中含量較高的乙酸、苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚作為研究對(duì)象,計(jì)算和分析[Bmim][NTf2]在不同條件下對(duì)這四種化合物的萃取率。
圖1 生物油水相餾分的GC-MS譜圖及其主要化合物Figure 1 GC-MS spectra and main compounds of bio-oil water fractions
表1 生物油蒸餾水相中四種主要化合物的相對(duì)含量和絕對(duì)含量Table 1 Relative content and absolute concentration of four main compounds in bio-oil water fractions
2.2.1 萃取劑添加量
為探究達(dá)到萃取平衡時(shí)[Bmim][NTf2]的最小添加量,本研究考察了萃取時(shí)間為10 min時(shí),不同質(zhì)量比即mIL([Bmim][NTf2]質(zhì)量)/mW(水相餾分質(zhì)量)對(duì)萃取率的影響。通過圖2可知,在mIL/mW=0.05時(shí),[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚的萃取率分別為47.4%、49.4%、61.1%。當(dāng)逐漸提高萃取劑的質(zhì)量比后,三種酚類物質(zhì)的萃取率增長(zhǎng)速率均顯著增長(zhǎng);但隨著質(zhì)量比從0.3提高到0.5時(shí),萃取率的增長(zhǎng)速率逐漸變緩。當(dāng)mIL/mW= 0.4時(shí),[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚的萃取率均已高于90%;當(dāng)mIL/mW大于0.5,三種酚類物質(zhì)的萃取率均已達(dá)到100%,說明在此質(zhì)量比下經(jīng)萃取后水相餾分中三種酚類物質(zhì)的含量均已低于檢出限而無法被檢測(cè)。綜上所述,本研究選取mIL/mW= 0.4為最佳的萃取質(zhì)量比,進(jìn)一步考察萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響。
圖2 不同質(zhì)量比下[Bmim][NTf2]的萃取率Figure 2 [Bmim][NTf2]extraction efficiency of different mass ratios
2.2.2 萃取時(shí)間
在最佳萃取質(zhì)量比(mIL/mW= 0.4)下,本文進(jìn)一步研究了0.5 -10 min時(shí)六個(gè)萃取時(shí)間下[Bmim][NTf2]的萃取率。由圖3可知,[Bmim][NTf2]在0.5 min內(nèi)對(duì)苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚的萃取率已分別達(dá)到67.8%、75%、71.3%;當(dāng)隨著萃取時(shí)間的逐漸延長(zhǎng),萃取劑對(duì)酚類物質(zhì)和乙酸的萃取率均有提高;但當(dāng)萃取時(shí)間大于5 min時(shí),四種化合物的萃取率已無明顯變化。因此,選擇5 min作為[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分的最佳萃取時(shí)間。
圖3 不同萃取時(shí)間下[Bmim][NTf2]的萃取效率Figure 3 [Bmim][NTf2]extraction efficiency of different extraction times
2.3.1 溶質(zhì)自由能分析
綜合分析不同萃取劑添加量和萃取時(shí)間對(duì)萃取率的影響發(fā)現(xiàn),[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中乙酸的萃取率較低,這可能與酚類化合物和乙酸在水中的溶解度不同有關(guān)。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)水相中三種酚類物質(zhì)在最佳萃取條件下的萃取率有著以下的規(guī)律:4-甲基愈創(chuàng)木酚 > 苯酚 > 愈創(chuàng)木酚,這與其疏水參數(shù)Log P[31](化合物在正辛醇/水系統(tǒng)中分配系數(shù)的對(duì)數(shù)值)大小順序一致,如表2所示,這表明[Bmim][NTf2]的萃取率隨著酚類物質(zhì)疏水性的增大而提高。而Sas 等[32]利用離子液體對(duì)苯酚、鄰甲酚、氯酚進(jìn)行萃取,研究發(fā)現(xiàn)苯環(huán)上的取代基易引起酚類化合物的強(qiáng)疏水性,有助于提高疏水型離子液體的萃取率;Cesari 等[33]的研究也發(fā)現(xiàn)酚類物質(zhì)在水中的溶解度越低,離子液體的萃取效果越好。以上研究說明酚類化合物在水中的溶解度是影響其萃取效果的重要因素。
為進(jìn)一步探究[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中酚類化合物具有高選擇性的原因,本研究利用Gaussian 16計(jì)算了在0.1 MPa、298.15 K時(shí) 1 mol四種化合物分別在水中的自由能GW和離子液體中的自由能GIL。溶質(zhì)的自由能反映了溶質(zhì)分子加入到特定溶劑環(huán)境后,與溶劑分子間的相互作用能[23]。如表2所示,三種酚類化合物的溶質(zhì)自由能有以下規(guī)律:|GIL| > |GW|,即三種酚類化合物在[Bmim][NTf2]為溶劑環(huán)境中的自由能絕對(duì)值更大,表明酚類物質(zhì)在[Bmim][NTf2]溶劑環(huán)境下更穩(wěn)定。而乙酸則相反,這說明相較于離子液體,乙酸分子在水中更穩(wěn)定,由此可解釋[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中乙酸的萃取率較低這一現(xiàn)象。
表2 水相餾分中主要化合物的疏水參數(shù)以及溶質(zhì)自由能GW和GILTable 2 Hydrophobicity parameters Log P, solute free energy G W and G IL of the main compounds in the water fractions
2.3.2 相互作用能與RDG分析
為進(jìn)一步探究酚類化合物與[Bmim][NTf2]在水相餾分中的相互作用能,本研究以苯酚為代表物質(zhì),計(jì)算了[Bmim][NTf2]與苯酚間的相互作用能以及氫鍵鍵長(zhǎng)。如圖4所示,陰離子[NTf2]中兩個(gè)S原子上的O原子分別作為質(zhì)子受體:與質(zhì)子供體陽離子[Bmim]咪唑環(huán)中N原子上的H原子形成 O -H···O型氫鍵(鍵長(zhǎng)1.805 ?);同時(shí)與質(zhì)子供體苯環(huán)上-OH中的H原子形成 O -H···O型氫鍵(鍵長(zhǎng)1.828 ?)。陰陽離子間的氫鍵作用也是離子液體具有黏度大、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)的原因之一[30]。相互作用能ΔE的定義為非共價(jià)配合物的能量與其構(gòu)成單體的能量和之差,苯酚與[Bmim][NTf2]間的相互作用能為-8.48 kcal/mol,表明其配合物可穩(wěn)定存在[26]。綜上所述,[Bmim][NTf2]與苯酚可通過陰離子和-OH形成氫鍵,這在萃取脫酚中起著重要作用。
圖4 苯酚與[Bmim][NTf2]配合物最佳構(gòu)型下的氫鍵與相互作用能Figure 4 Hydrogen bonding and interaction energy in the optimized geometries for the complex of phenol and[Bmim][NTf2]
除氫鍵作用外,離子液體與苯酚的弱相互作用還包括位阻效應(yīng)、范德華作用等,因此,本研究通過RDG等值面圖以及散點(diǎn)圖將不同作用力的大小、類型與作用范圍可視化。如圖5所示,通過圖5(a)等值面以及圖5(b)散點(diǎn)圖的顏色可清楚地觀察到苯酚與離子液體間的多種弱相互作用力:其中,藍(lán)色區(qū)域的電子密度ρ(r)大、sign(λ2) = -1,表現(xiàn)較強(qiáng)、起吸引作用的弱相互作用,如強(qiáng)氫鍵、鹵鍵等;綠色區(qū)域的ρ(r)很小,sign(λ2) ≈ 0,表明相互作用強(qiáng)度較弱,為范德華作用;紅色區(qū)域的ρ(r)較大、sign(λ2) = +1,對(duì)應(yīng)于在環(huán)、籠中出現(xiàn)較強(qiáng)的位阻效應(yīng)[29]。從圖5(a)中可觀察到兩種典型的較強(qiáng)氫鍵作用(藍(lán)色等值面處):陰離子與苯酚間的O -H···O 氫鍵以及陰離子與陽離子間的N-H···O氫鍵,與圖5(b)的左邊藍(lán)色部分對(duì)應(yīng)。除了氫鍵作用外,苯酚的苯環(huán)與陽離子咪唑環(huán)間、O-H···O氫鍵以及 N -H···O氫鍵間的區(qū)域電子密度ρ(r)較小、強(qiáng)度較弱,存在明顯的綠色等值面,表明這兩處存在范德華作用力,同時(shí)與圖5(b)中間的綠色區(qū)域?qū)?yīng)。而圖5(b)右側(cè)的紅色區(qū)域則對(duì)應(yīng)了苯環(huán)與咪唑環(huán)間的位阻效應(yīng),即對(duì)應(yīng)了圖5(a)中苯環(huán)以及咪唑環(huán)中央的紅色橢圓等值面。綜上所述[Bmim][NTf2]主要通過較強(qiáng)的氫鍵吸引作用以及較弱的范德華作用力與酚類化合物形成穩(wěn)定的配合物,進(jìn)而將其從水相餾分中萃取分離。
圖5 苯酚與[Bmim][NTf2]配合物的RDG等值面圖(a)與散點(diǎn)圖(b)Figure 5 RDG isosurface plot(a) and scatter plot(b) of the complex of phenol and [Bmim][NTf2]
離子液體的重復(fù)利用與回收再萃取能力對(duì)其應(yīng)用至關(guān)重要,為探究[Bmim][NTf2]對(duì)生物油水相餾分的重復(fù)萃取能力,本研究直接利用萃取后不經(jīng)任何處理的[Bmim][NTf2]對(duì)生物油水相餾分在最佳萃取條件下進(jìn)行下一次萃取,連續(xù)多次萃取并計(jì)算其萃取率。如圖6所示,在多次重復(fù)萃取中,[Bmim][NTf2]對(duì)乙酸的萃取率略有增長(zhǎng),對(duì)酚類化合物的萃取率卻不斷降低。在連續(xù)六次萃取后,[Bmim][NTf2]對(duì)苯酚的萃取率為-32%,表明此時(shí)[Bmim][NTf2]萃取相中的苯酚分子已經(jīng)開始擴(kuò)散到水相餾分中;連續(xù)八次萃取后,其余兩種酚類物質(zhì)也已擴(kuò)散到水相餾分中。以上數(shù)據(jù)表明,需將[Bmim][NTf2]進(jìn)行處理才可實(shí)現(xiàn)其回收利用和高重復(fù)萃取率,同時(shí)也說明[Bmim][NTf2]可在不經(jīng)任何處理下至少連續(xù)五次萃取水相餾分中的酚類物質(zhì),對(duì)三種酚類化合物均有良好的吸收能力。
圖6 [Bmim][NTf2]的重復(fù)萃取率Figure 6 Repeated extraction efficiency of [Bmim][NTf2]
為實(shí)現(xiàn)[Bmim][NTf2]的回收和高萃取率,本研究根據(jù)其中酚類物質(zhì)弱酸性的特點(diǎn),使用NaOH(1 mol/L)溶液對(duì)萃取后的[Bmim][NTf2]和酚類物質(zhì)混合物進(jìn)行堿洗,堿洗完成后離心分離上層水相和下層再生的[Bmim][NTf2]。本研究利用堿洗處理后再生的[Bmim][NTf2]對(duì)蒸餾水相進(jìn)行萃取,計(jì)算其萃取率;同時(shí)利用1H NMR 譜分析再生的[Bmim][NTf2],以驗(yàn)證萃取劑的循環(huán)萃取穩(wěn)定性。如圖7所示,堿洗再生一次的[Bmim][NTf2]對(duì)苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚的萃取率分別降低了1.5%、0.1%、0.5%,但再生兩次后的[Bmim][NTf2]相較于再生一次的萃取率已無明顯變化,表明堿洗再生的[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中的酚類物質(zhì)仍有較高的萃取率和較好的選擇性。根據(jù)圖8可得,NaOH堿洗前后[Bmim][NTf2]的1H NMR 譜無明顯變化。綜上所述,堿洗回收的方法可有效地從[Bmim][NTf2]中除去酚類化合物,實(shí)現(xiàn)萃取劑的回收與循環(huán)利用。
圖7 再生[Bmim][NTf2]的萃取率Figure 7 Extraction efficiency of regenerated [Bmim][NTf2]
圖8 再生[Bmim][NTf2]的 1H NMR譜圖Figure 8 1H NMR spectrum of regenerated [Bmim][NTf2]
利用高疏水性的離子液體[Bmim][NTf2]對(duì)生物油水相餾分中的苯酚、愈創(chuàng)木酚、4-甲基愈創(chuàng)木酚進(jìn)行萃取分離。萃取實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,mIL/mW=0.4、萃取時(shí)間為5 min是[Bmim][NTf2]的最佳萃取條件。在最佳萃取條件下[Bmim][NTf2]對(duì)三種酚類化合物的萃取率均大于92%,表明[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中的酚類物質(zhì)有較高的萃取率和較好的選擇性,并且[Bmim][NTf2]對(duì)酚類化合物的萃取率隨著酚類物質(zhì)疏水性的增大而提高。
根據(jù)溶質(zhì)自由能計(jì)算結(jié)果可知,乙酸在以水為溶劑下的溶質(zhì)自由能大于在以[Bmim][NTf2]為溶劑下的自由能,而酚類化合物則相反,表明溶質(zhì)自由能是影響[Bmim][NTf2]對(duì)水相餾分中化合物萃取率的重要因素。通過苯酚與[Bmim][NTf2]間的弱相互作用能計(jì)算聯(lián)合RDG分析顯示,[Bmim][NTf2]與苯酚間的強(qiáng)氫鍵吸引作用以及較弱的范德華作用力在[Bmim][NTf2]的萃取脫酚中起到重要的作用。利用堿洗處理即可將[Bmim][NTf2]中的酚類化合物有效去除,實(shí)現(xiàn)[Bmim][NTf2]的回收與高效再萃取。
致 謝
本論文的數(shù)值計(jì)算得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心的計(jì)算支持和幫助。