基于溶剂萃取与量子化学分子动力学的腰果壳生物废料中腰果酚、腰果二酚及2-甲基腰果二酚的高效绿色分离技术研究

为解决传统薄膜蒸馏法分离腰果壳液(T-CNSL)中酚类化合物存在的高能耗、高成本及副产品利用率低等问题，研究人员开展了基于溶剂萃取与量子化学分子动力学(QC MD)的绿色分离技术研究，通过实验测定液液相平衡(LLE)数据，结合径向分布函数(RDF)分析分子间相互作用，成功开发了顺序溶剂萃取工艺，实现了腰果酚、腰果二酚和2-甲基腰果二酚(2-MC)的高效分离，为生物废料高值化利用提供了新策略。

　　

在可持续化学与绿色制造的浪潮中，从生物废料中提取高附加值化合物已成为研究热点。腰果壳作为腰果加工的废弃物，含有丰富的酚类物质，特别是腰果酚(Cardanol)、腰果二酚(Cardol)和2-甲基腰果二酚(2-Methyl Cardol, 2-MC)。这些化合物是传统酚类原料（如煤焦油衍生物）的理想替代品，可广泛应用于环氧树脂、聚氨酯、表面活性剂及生物柴油添加剂等领域。然而，当前工业规模生产主要依赖薄膜蒸馏技术，该过程不仅能耗高、设备投资大，还会产生大量低价值残留物，且难以实现多组分的有效分离。

为解决上述问题，来自韩国釜山庆南信息与技术学院的Byoung Chul Kim、Young Han Kim等研究团队在《Biomass and Bioenergy》上发表了一项创新性研究，提出了一种基于溶剂萃取的高效、低能耗分离策略，替代传统能源密集型蒸馏工艺。该研究不仅通过实验测定了液液相平衡数据，还结合了量子化学分子动力学模拟，从分子层面揭示了溶剂选择性萃取的机制，为腰果壳液的高值化利用提供了新路径。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，通过浊点法实验测定了伪三元体系（腰果酚/氨水/溶剂）的液液相平衡数据，并拟合了双节曲线方程；其次，利用量子化学分子动力学模拟优化分子分布并计算体系能量，通过径向分布函数分析分子间相互作用；此外，采用气相色谱-质谱联用技术对萃取产物进行定性与定量分析；最后，基于非随机两流体模型建立了热力学模型，用于萃取工艺的设计与优化。

研究结果部分，作者通过多维度实验与模拟分析，系统阐述了分离过程的可行性与优势：

1. 1.
   液液相平衡测定与模拟
   通过实验测定了腰果酚-氨水-正己烷和腰果酚-氨水-乙酸乙酯两个伪三元体系的双节曲线和结线数据。结果显示，正己烷体系对腰果酚具有更高的选择性（最大36.1），而乙酸乙酯体系选择性较低（7.9）。量子化学分子动力学模拟结果与实验数据高度吻合，验证了模拟方法的可靠性。
2. 2.
   量子化学分子动力学模拟
   模拟结果表明，在正己烷体系中，腰果酚与正己烷的分子间距离较短，而在水相中腰果酚与氨水分子更接近，这解释了正己烷对腰果酚的高选择性萃取机制。径向分布函数分析进一步显示，分子间相互作用距离与萃取效率直接相关。
3. 3.
   径向分布函数分析
   在正己烷体系的有机相中，腰果酚-正己烷对的RDF峰值距离较短，表明两者有较强亲和性；而在水相中，腰果酚-氨水对的峰值距离更短，说明腰果酚易溶于氨水。这一发现为溶剂选择提供了理论依据。
4. 4.
   NRTL模型参数估算
   基于实验与模拟数据，研究人员估算了非随机两流体模型的相互作用参数，建立了可用于工业设计的热力学模型。模型预测值与实验数据吻合良好，证明了其在萃取工艺设计中的适用性。
5. 5.
   腰果酚、腰果二酚和2-甲基腰果二酚的分离
   通过顺序溶剂萃取工艺，依次采用甲基异丁基酮、甲醇、氨水、乙酸乙酯/正己烷混合溶剂、乙酸乙酯和正己烷，成功分离出三种目标化合物。GC/MS分析表明，腰果酚和2-MC的提取纯度较高，而腰果二酚中含有约6%的2-MC，提示首次萃取阶段需进一步优化。
6. 6.
   腰果酚萃取器设计
   基于NRTL模型和相平衡数据，研究人员设计了一个两级连续萃取器，用于从氨水溶液中回收腰果酚。结果表明，采用正己烷作为溶剂，可通过简单蒸馏实现溶剂回收，整个过程能耗显著低于传统蒸馏方法。

研究结论与讨论部分强调，该研究成功开发了一种能耗低、成本效益高的溶剂萃取工艺，用于从腰果壳液中分离腰果酚、腰果二酚和2-甲基腰果二酚。通过实验与模拟相结合的方法，不仅明确了分子间相互作用机制，还建立了可靠的热力学模型，为工业放大提供了理论基础。与传统薄膜蒸馏相比，该工艺不仅能降低能耗和设备投资，还能实现多组分分离，提高副产品价值。此外，研究提出的顺序溶剂萃取策略和萃取器设计，为生物基酚类化合物的绿色制造提供了新思路，对促进可持续化工发展具有重要意义。