基于绿色生物基溶剂与量子化学分析的THF/MT/EA/H2O四元共沸体系高效分离新策略

为解决制药废水中四元共沸体系（THF/MT/EA/H2O）分离难题，研究人员通过气液相平衡与COSMO-RS筛选出绿色生物基溶剂甘油（GLY）作为最优夹带剂，结合量子化学计算揭示其分离机制，并开发了热泵侧流耦合热集成（HI-HP-SS-SC）新工艺，使总年成本（TAC）、能耗（TEC）和CO2排放分别降低16.29%、42.78%和38.84%，为制药废水资源化提供创新解决方案。

　　

在制药工业中，四元共沸体系（THF/MT/EA/H₂O）的高效分离一直是技术难点。这类废水直接排放不仅造成资源浪费，还会引发环境问题。传统分离方法因共沸现象难以奏效，而现有夹带剂筛选缺乏对绿色可持续性的考量。为此，中国研究人员在《Separation and Purification Technology》发表论文，提出了一种融合量子化学分析与节能工艺的创新解决方案。

研究团队采用气液相平衡实验与COSMO-RS（导体屏蔽模型-真实溶剂）理论筛选出生物基溶剂甘油（GLY），通过静电势（ESP）和独立梯度模型（IGMH）揭示其优先结合H₂O和MT的分子机制。基于Aspen Plus V14构建三种分离序列，结合遗传算法优化参数，最终开发出热泵侧流耦合热集成工艺（HI-HP-SS-SC）。

量子化学计算
通过B3LYP/6-311++G(2d,2p)理论水平优化分子构型，发现GLY的羟基能与H₂O/MT形成强氢键，其静电势分布与IGMH分析验证了相互作用位点。

夹带剂筛选
对比GLY、DMSO等四种候选溶剂，GLY使THF/H₂O相对挥发度提升最显著（1.8倍），且生物可降解性优于传统溶剂。

工艺优化
分离序列C（SC）较基础方案降低TAC 27.30%，引入分壁塔（DWC）和热泵技术后，HI-HP-SS-SC工艺实现能耗与排放双下降，其中压缩机设计使热能利用率提升60%。

该研究不仅为制药废水处理提供经济环保的新方法，更开创了量子化学指导工业分离工艺设计的范式。GLY的生物相容性符合绿色化学趋势，而热集成技术的创新应用对化工行业碳中和具有示范意义。论文中详实的量子化学分析为后续夹带剂开发提供了理论模型，其多目标优化思路可推广至其他复杂共沸体系分离领域。