基于GC-PC-SAFT模型的离子液体筛选策略在氟化制冷剂分离中的应用研究

为解决氟化制冷剂（HFC/HFO）混合体系的高效分离难题，研究人员通过整合扰动链统计缔合流体理论（PC-SAFT）与基团贡献法（GC），建立了可精准预测离子液体（ILs）吸收性能与选择性的分子模型。该研究系统参数化了29种ILs结构基团和184组制冷剂-ILs相互作用对，模型在283–363?K范围内溶解度预测偏差仅6%，并成功筛选出适用于R32/R1234yf分离的[SCN]和[DCA]阴离子短链ILs，为绿色溶剂设计提供了理论工具。

　　

随着全球对环保型制冷剂需求的增长，氢氟烃（HFCs）和氢氟烯烃（HFOs）的混合使用成为平衡全球变暖潜能值（GWP）与热力学性能的关键策略。然而，这类混合物在回收过程中面临近共沸体系分离效率低的技术瓶颈，传统蒸馏法难以实现高纯度分离。离子液体（ILs）因其可调结构和近乎零蒸气压的特性，被视为极具潜力的绿色分离介质，但如何从数以万计可能的ILs结构中快速筛选最优溶剂仍是未解的难题。

针对这一挑战，西安交通大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地将扰动链统计缔合流体理论方程（PC-SAFT EoS）与基团贡献法（GC）结合，构建了可预测ILs对HFC/HFO吸收性能的分子模型。该研究通过划分29种ILs结构基团和184组相互作用对，首次实现了对复杂阴离子（如[BF₄]、[PF₆]）的精细化参数描述，温度依赖型相互作用参数使模型在283–363?K范围内溶解度预测平均偏差仅6%，且能外推至373?K以上。

关键技术方法
研究采用分子建模与实验验证相结合的策略：1）基于PC-SAFT理论框架建立硬球参考流体-扰动项分离的 Helmholtz自由能计算模型；2）提出新型ILs基团划分方案，通过优化算法确定纯组分参数和二元相互作用参数；3）利用相对偏差（RD）、决定系数（R²）等指标验证模型精度。

研究结果

1. PC-SAFT EoS模型构建
   通过将分子视为硬链参考流体叠加扰动项（色散力和缔合作用），建立了包含链段数（m）、直径（σ）和能量参数（ε/k_B）的三参数体系，其残余Helmholtz自由能计算可精确描述ILs-制冷剂混合物的非理想行为。

2. 基团参数化与验证
   模型将传统上视为单一基团的复杂阴离子拆解为子结构（如[Tf₂N]分解为-CF₃和-SO₂-），显著提升了参数可迁移性。对R32/R1234yf体系的预测显示，含[SCN]（硫氰酸根）和[DCA]（二氰胺）阴离子的短链ILs具有最优选择性，其分离因子比常规ILs高1.5–2倍。

3. 温度拓展性能
   温度依赖的二元相互作用参数（k_ij = a + bT）使模型在283–363?K区间保持高精度，对R134a/R1234yf等近共沸体系的气液平衡预测AARD（平均绝对相对偏差）低于5%。

结论与意义
该研究突破了现有COSMO和UNIFAC模型对ILs结构简化的局限，首次实现了从分子结构到分离性能的可解释性预测。通过揭示阴离子子结构（如-SO₂-）与制冷剂氟原子的特异性相互作用机制，为设计低能耗、高选择性的第四代制冷剂分离工艺提供了理论蓝图。模型参数化策略可扩展至其他绿色溶剂体系，推动碳中和目标下的工业气体分离技术革新。