利用离子液体结合热泵蒸馏法分离1,2-二甲氧基乙烷-水共沸体系

《Process Safety and Environmental Protection》：Separation of 1,2-Dimethoxyethane-water azeotropic system using ionic liquid combined with heat pump distillation

　　

摘要

为了进一步降低1,2-二甲氧基乙烷（DME）/H₂O传统萃取蒸馏（CED）过程的投资、运营成本和温室气体排放，选择了一种使用离子液体（ILs）作为萃取剂的新型萃取蒸馏方案。基于热力学导体筛选模型（COSMO-RS）预测的300种ILs的溶解度和选择性结果，最终选择了[EMIM][Ac]作为合适的萃取剂。通过σ-剖面、σ-势、分子间结合能力和分子间相互作用类型的研究，从分子层面发现ILs提高DME/H₂O系统相对挥发性的机制主要是由氢键相互作用驱动的。进一步探讨了将ILs与热泵萃取蒸馏（HP-ED）结合的技术方案，以强化DME/H₂O分离过程。基于过程模拟结果，进行了经济和环境影响分析，并将其与使用乙二醇（EG）作为萃取剂的基准CED过程进行了比较。使用[EMIM][Ac]作为萃取剂的ED过程可将总年成本（TAC）降低27.80%，年度运营成本（AOC）降低23.58%，年度资本成本（ACC）降低39.74%，二氧化碳排放量降低28.83%。结合热泵蒸馏技术的HP-ED过程，TAC和CO₂排放量可分别进一步降低17.30%和39.01%。与传统DME/H₂O萃取蒸馏过程相比，这种新的HP-ED过程具有更高的能效、更低的成本和更低的二氧化碳排放量，具有广泛的应用前景。

引言

随着全球电动汽车产业的快速发展，对汽车“心脏”电池的要求也越来越高。1,2-二甲氧基乙烷（DME）由于其高极性和低粘度，在下一代钙金属和固态电池的电解质研究中发挥着重要作用（Slim等人，2026年；Lin等人，2025年；Lin等人，2026年）。目前，DME的常见制备方法是将乙二醇单甲基醚与碱金属或其氢氧化物反应生成乙二醇单甲基醚醇碱化合物，然后再与氯甲烷等甲基化试剂反应制得（Greish等人，2017年）。在DME提纯过程中需要分离DME和H₂O。由于DME和H₂O的共沸性，传统蒸馏方法无法获得高纯度的DME（Lin等人，2022年）。从DME中去除H₂O的传统方法是无干燥剂的氯化钙吸附或使用有机溶剂的萃取蒸馏。氯化钙吸附过程的缺点是氯化钙不仅吸收H₂O，还会吸收一定量的DME形成凝胶，难以回收且会污染环境。传统的有机溶剂萃取剂通常选择乙二醇（EG）。有机溶剂萃取蒸馏过程通常存在能耗高、回收过程复杂和萃取剂消耗量大的问题。与吸附干燥过程相比，萃取蒸馏由于使用可再生萃取剂而具有更广阔的应用前景。因此，迫切需要一种新型的绿色高效DME和H₂O分离工艺来解决当前面临的难题。

选择绿色萃取剂是提高DME和H₂O分离效果的关键。同时，通过热集成/热泵/热交换网络可以充分利用过程中的显热和潜热（Zhao等人，2025a；Xu等人，2021年；Li等人，2021a；Zhao等人，2025b；Wang等人，2021年；Zhao等人，2025a）。与传统有机溶剂相比，离子液体（ILs）因环境友好、饱和蒸汽压低和回收过程简单而在分离领域得到广泛应用（Lei等人，2017年；Baca等人，2024年；Qu等人，2026年；Ma等人，2026年；Zhang等人，2026a；Wang等人，2026年；Liu等人，2025年）。值得注意的是，ILs作为萃取剂在萃取蒸馏中表现出良好的性能（Li等人，2021b；Zhao等人，2025b；Wang等人，2025年；Yan等人，2022a；Yan等人，2022b；Hu等人，2026年），尤其是在含有H₂O的系统中（Zhang等人，2026b；Ge等人，2008年；Zhang等人，2007年；Chen等人，2026年；Cui等人，2024年）。Li等人选择[EMIM][DCA]作为甲醇/乙醇/H₂O三元系统的萃取剂（Li等人，2021b）。通过与使用EG作为萃取剂的萃取蒸馏过程比较，发现使用IL的ED过程的总年成本（TAC）和能耗分别降低了7.81%和4.52%。[EMIM][SCN]用于丙醚/异丙醇/H₂O共沸系统的分离（Cui等人，2024年）。与使用甘油（Gly）作为萃取剂的压力摆动萃取蒸馏（PSGED）和使用混合溶剂的萃取蒸馏（PSMED）相比，PSMED（Gly:[EMIM][SCN]=0.254:0.746）的TAC分别降低了8.55%和13.52%，气体排放量分别降低了27.17%和3.18%。与PSMED和结合热泵萃取蒸馏的混合溶剂（HIPSMED）相比，HIPSMED的TAC降低了10.73%，气体排放量降低了16.80%。Wang等人使用压力切换蒸馏-三重热泵（PSD-HEN）和压力切换蒸馏-热交换网络（PSD-THP-HEN）实现了H₂O/丙腈/异丙醇三元混合物的分离（Wang等人，2021年）。PSD-THP-HEN过程具有最低的成本和能耗，以及最低的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量。与PSD-HEN过程相比，总能耗（TEC）和TAC分别可降低71.4%和57.59%。总之，使用离子液体作为共沸系统中的萃取剂进行水分离是一个非常有前景的研究方向。

本研究提出了一种采用IL作为萃取剂的新颖热泵蒸馏工艺，用于分离DME和H₂O的二元混合物。首先，使用广泛使用的预测热力学模型COSMO-RS筛选出适合分离DME和H₂O的IL。从分子层面，通过量子化学（QC）计算和COSMO-RS模型解释了分离机制。通过比较使用IL结合热泵蒸馏技术与使用EG作为萃取剂的萃取蒸馏过程在温室气体排放和总年成本（TAC）方面的性能，评估了不同工艺配置的环境影响和经济可行性。

章节片段

COSMO-RS模型

COSMO-RS模型是基于Klamt等人提出的COSMO理论的热力学模型（Klamt，1995年；Eckert和Klamt，2002年）。COSMO-RS模型结合了QC计算和统计热力学，扩展了室温下纯溶剂系统的范围，并能预测一定温度范围内溶剂的热力学和物理性质。本研究使用基于COSMO-RS的COMOthermX-21软件高效筛选

过程模拟

使用Aspen Plus（版本10.0）软件研究了使用IL或传统有机溶剂EG作为萃取剂的萃取蒸馏过程。成熟的COSMO-SAC热力学模型嵌入在Aspen Plus软件中（支持信息中的σ-Profile参数表S2），在含IL分离系统的模拟中取得了良好的研究结果。因此，选择COSMO-SAC来描述分离系统的相行为（Gui等人，2023年）。

性能评估方法

通过模拟结果和性能评估方法分析了不同工艺配置的总年成本（TAC）、年度资本成本（ACC）和年度运营成本（AOC）以及温室气体排放。

IL的设计与筛选

选择萃取剂时，选择性和溶解度是两个重要参数。然而，萃取剂通常在分离过程中难以同时具备高选择性和高溶解性。因此，合适的萃取剂需要在这两个因素之间取得平衡。作为没有实验支持的有效先验热力学模型，COSMO-RS模型被用来研究IL在DME中的选择性和溶解度特性

结论

本研究从分子层面探讨了使用[EMIM][Ac]作为萃取剂的DME和H₂O萃取蒸馏的分离机制，并开发了一种结合IL和热泵蒸馏技术的工艺强化方案。从分子层面解释了[EMIM][Ac]在分离DME和H₂O共沸系统中的机制，即其较强的氢键作用

未引用参考文献

Seider等人（2017年）；（Deng等人，2026年）；（Yan等人，2010年）

CRediT作者贡献声明

Xiaoyan Nie：方法学，数据整理。Yanan Xie：验证，资源收集。Kai Yan：验证，形式分析。Hongyu Mou：方法学，概念构建。Kun Xu：可视化，软件开发。Sinuo Zhou：资源收集，调查。Ying Zhang：可视化，形式分析。Zhenhang Wang：撰写——初稿，方法学，调查，形式分析，概念构建。Wenxuan Zhao：撰写——审阅与编辑，方法学。Chengyang Jia：验证，数据整理。Guoxuan Li：撰写——

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省泰山学者基金会（项目编号tsqn202507194）和齐鲁工业大学研究计划（项目编号QIT25LSKJ002）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有财务利益冲突。

Zhenhang Wang|Wenxuan Zhao|Kai Yan|Hongyu Mou|Xiaoyan Nie|Yanan Xie|Kun Xu|Sinuo Zhou|Ying Zhang|Chengyang Jia|Guoxuan Li