DOI: https://doi.org/10.1002/aic.70287
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: Chengmin Gui وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في قدرات الامتصاص للمذيبات العميقة القائمة على الأحماض الدهنية (DESs) للمواد العضوية المتطايرة (VOCs) بمستويات مختلفة من الكارهية للماء. تركز الدراسة على DES يتكون من بروميد التترا بوتيل أمونيوم (TBAB) وحمض الأوكتانويك (OCA) بنسبة مولية 1:2، والذي يظهر أداءً مزدوج الوظائف في الامتصاص. تشير النتائج التجريبية إلى أن هذا DES يمتص بفعالية كل من VOCs الكارهة للماء بشكل ضعيف، مثل ثنائي كلور الميثان والكلوروفورم، وVOCs الكارهة للماء بشكل قوي، بما في ذلك الليمونين وأوكتاميثيل سيكلوتتراسيلاكسين. من الجدير بالذكر أن DES يحافظ على أدائه في الامتصاص وسلامته الهيكلية على مدى خمس دورات امتصاص-إزالة.
تشير النتائج إلى أن كل من كارهية الماء للـ VOCs والمذيب تؤثر بشكل كبير على أداء الامتصاص، حيث يرتبط زيادة كارهية الماء بزيادة قدرة الامتصاص. تكشف المحاكاة الجزيئية عن ثلاثة آليات رئيسية تساهم في امتصاص VOC في نظام TBAB:OCA: (1) الحجم الحر الكبير لـ DES، (2) التفاعلات الكهروستاتيكية بين TBAB وVOCs الكارهة للماء بشكل ضعيف التي تسهل الذوبان، و(3) التفاعلات فان دير فالس بين OCA وVOCs الكارهة للماء بشكل قوي التي تعزز الامتصاص بشكل أكبر. تقدم الدراسة فهماً شاملاً لديناميات التفاعل بين DESs وVOCs، مدعومة ببيانات مفصلة ومحاكاة متاحة في المواد التكميلية.
الطرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم اختيار تسعة مواد عضوية متطايرة (VOCs) لتمثيل الملوثات الصناعية الشائعة، تشمل مجموعة متنوعة من الكارهية للماء. تضمنت الـ VOCs ثنائي كلور الميثان (DCM)، الكلوروفورم، ثنائي بروم الميثان (DBM)، كلوريد البنزيل (BEC)، بروميد الإيثيل، 1-بروميد البنتان (BPE)، التولوين، الليمونين، وD4. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام حمض الأوكتانويك (OCA)، حمض النونانويك (NOA)، حمض الديكانيك (DEA)، بروميد التترا بوتيل أمونيوم (TBAB)، وبروميد التترا بوتيل فوسفونيوم (TBPB) في التجارب. تم تفصيل الاختصارات المحددة، والأسماء الكيميائية الكاملة، ونسب النقاء الكتلي لهذه المركبات في الجدول 1 من الورقة.
النتائج
يقدم قسم النتائج من الدراسة معاملات التقسيم (K) لتسعة مواد عضوية متطايرة (VOCs) في الماء ومختلف الممتصات عند 303.15 كلفن، كما هو مفصل في الجداول 3 و4. تتماشى قيم K التي تم الحصول عليها لـ VOCs في الماء بشكل وثيق مع الأدبيات الموجودة، مما يؤكد موثوقية الإعداد التجريبي. من الجدير بالذكر أن قيم K مرتبطة عكسياً بالذوبانية المائية لـ VOCs، مما يشير إلى أن المركبات ذات قيم K المنخفضة تظهر ذوبانية أعلى في الماء. من بين الـ VOCs المختبرة، أظهر الليمونين وD4 ذوبانية منخفضة جداً في الماء، بينما أظهرت المواد الأربعة الهالوجينية (ثنائي كلور الميثان (DCM)، الكلوروفورم، ثنائي بروم الميثان (DBM)، وكلوريد البنزيل (BEC)) ذوبانية معتدلة.
تقيم الدراسة أيضاً قدرات الامتصاص للمذيبات العميقة (DESs) مقارنةً بالمانحين النقيين لروابط الهيدروجين (HBDs). تشير نسبة K، المحددة كنسبة قيم K في الماء إلى تلك في الممتصات، إلى أن إدخال مستقبلات روابط الهيدروجين (HBAs) يعزز بشكل كبير امتصاص الـ VOCs. على سبيل المثال، وُجد أن نسبة K لـ BEC في TBAB:NOA كانت 3061.2، وهو زيادة بمقدار 22 مرة مقارنةً بـ NOA بمفرده. تشير النتائج إلى أنه بينما تتفوق DESs القائمة على TEG بشكل عام على TEG النقي في امتصاص الـ VOCs، فإن DESs القائمة على الأحماض الدهنية تظهر أداءً مخفضاً عند إضافة HBAs. تحدد الدراسة TBPB:TEG كأكثر DES فعالية لـ DCM وTBAB:DEA للتولوين والليمونين، مما يبرز TBAB:OCA كأكثر المرشحين واعداً بسبب لزوجته المنخفضة وقدراته الممتازة في الامتصاص عبر مجموعة من الـ VOCs. بشكل عام، يتم التأكيد على المزايا المزدوجة لوظائف DESs القائمة على الأحماض الدهنية، وخاصة TBAB:OCA، من حيث فعاليتها في امتصاص كل من الـ VOCs الكارهة للماء بشكل ضعيف وقوي.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة التحضير، والتوصيف، وأداء المذيبات العميقة (DESs) لامتصاص المواد العضوية المتطايرة (VOCs). تم تخليق DESs عن طريق خلط مانحي روابط الهيدروجين (HBDs) والمستقبلات (HBAs) بنسبة مولية 1:2، مما أسفر عن حلول واضحة ومتجانسة. تم قياس محتوى الماء في DESs، وتم قياس كثافتها ($\rho$) ولزوجتها ($\mu$) عبر نطاق درجة حرارة من 293.15 إلى 333.15 كلفن. تم نمذجة العلاقة بين الكثافة ودرجة الحرارة خطياً، بينما تم ملاءمة اللزوجة باستخدام نموذج فولجر-فولشر-تامان (VFT). استخدمت الدراسة أيضاً مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) لتحليل السلامة الهيكلية لـ DESs قبل وبعد امتصاص الـ VOC.
تم تحديد معامل تقسيم البخار-السائل ($K$)، وهو أمر حاسم لفهم سلوك الذوبان، باستخدام نظام كروماتوغرافيا الغاز في الفضاء العلوي (HS-GC). سلطت الدراسة الضوء على تأثير تركيز الـ VOC ودرجة حرارة الامتصاص على معامل التقسيم، مما يبرز الحاجة إلى تحقيق توازن بين العوامل الديناميكية الحرارية والحركية لتحقيق كفاءة امتصاص مثلى. تم إثبات تجديد الممتص من خلال دورات امتصاص-إزالة متعددة، مما يؤكد استقرار وإعادة استخدام DESs. تشير النتائج إلى أن كارهية الماء لكل من الـ VOCs والممتصات تؤثر بشكل كبير على أداء الامتصاص، حيث تؤدي التفاعلات الكارهة للماء الأقوى إلى تعزيز ذوبان الـ VOC. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على إمكانيات DESs القائمة على الأحماض الدهنية لالتقاط الـ VOCs بشكل فعال مع الحفاظ على الاستقرار الهيكلي بعد التجديد.
DOI: https://doi.org/10.1002/aic.70287
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): Chengmin Gui et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
This research investigates the absorption capabilities of fatty acid-based deep eutectic solvents (DESs) for volatile organic compounds (VOCs) with varying levels of hydrophobicity. The study focuses on a DES composed of tetrabutylammonium bromide (TBAB) and octanoic acid (OCA) in a 1:2 molar ratio, which demonstrates dual-functional absorption performance. Experimental results indicate that this DES effectively absorbs both weakly hydrophobic VOCs, such as dichloromethane and chloroform, and strongly hydrophobic VOCs, including limonene and octamethylcyclotetrasiloxane. Notably, the DES maintains its absorption performance and structural integrity over five absorption-desorption cycles.
The findings suggest that both the hydrophobicity of the VOCs and the solvent significantly influence absorption performance, with increased hydrophobicity correlating with enhanced absorption capacity. Molecular simulations reveal three primary mechanisms contributing to VOC absorption in the TBAB:OCA system: (1) the large free volume of the DES, (2) electrostatic interactions between TBAB and weakly hydrophobic VOCs that facilitate solubilization, and (3) Van der Waals interactions between OCA and strongly hydrophobic VOCs that further enhance absorption. The study provides a comprehensive understanding of the interaction dynamics between DESs and VOCs, supported by detailed data and simulations available in the supplementary materials.
Methods
In the experimental section of the study, nine volatile organic compounds (VOCs) were selected to represent common industrial pollutants, encompassing a diverse range of hydrophobicity. The VOCs included dichloromethane (DCM), chloroform, dibromomethane (DBM), benzyl chloride (BEC), bromoethane, 1-bromopentane (BPE), toluene, limonene, and D4. Additionally, octanoic acid (OCA), nonanoic acid (NOA), decanoic acid (DEA), tetrabutylammonium bromide (TBAB), and tetrabutylphosphonium bromide (TBPB) were utilized in the experiments. The specific abbreviations, full chemical names, and mass purities of these compounds are detailed in Table 1 of the paper.
Results
The results section of the study presents the partition coefficients (K) of nine volatile organic compounds (VOCs) in water and various absorbents at 303.15 K, as detailed in Tables 3 and 4. The K values obtained for VOCs in water align closely with existing literature, confirming the reliability of the experimental setup. Notably, the K values are inversely correlated with the aqueous solubility of the VOCs, indicating that compounds with lower K values exhibit higher solubility in water. Among the VOCs tested, limonene and D4 displayed very low water solubility, while the four halogenated VOCs (dichloromethane (DCM), chloroform, dibromomethane (DBM), and benzyl chloride (BEC)) showed moderate solubility.
The study further evaluates the absorption capabilities of deep eutectic solvents (DESs) compared to pure hydrogen bond donors (HBDs). The K ratio, defined as the ratio of K values in water to those in absorbents, indicates that the incorporation of hydrogen bond acceptors (HBAs) significantly enhances the absorption of VOCs. For instance, the K ratio of BEC in TBAB:NOA was found to be 3061.2, a 22-fold increase over NOA alone. The findings suggest that while TEG-based DESs generally outperform pure TEG in VOC absorption, fatty acid-based DESs exhibit reduced performance when HBAs are added. The study identifies TBPB:TEG as the most effective DES for DCM and TBAB:DEA for toluene and limonene, highlighting TBAB:OCA as the most promising candidate due to its low viscosity and superior absorption capabilities across a range of VOCs. Overall, the dual-functional advantages of fatty acid-based DESs, particularly TBAB:OCA, are emphasized for their efficacy in absorbing both weakly and strongly hydrophobic VOCs.
Discussion
In this section, the preparation, characterization, and performance of deep eutectic solvents (DESs) for volatile organic compound (VOC) absorption are discussed. DESs were synthesized by mixing hydrogen bond donors (HBDs) and acceptors (HBAs) at a 1:2 molar ratio, yielding clear and homogeneous solutions. The water content of the DESs was quantified, and their density ($\rho$) and viscosity ($\mu$) were measured across a temperature range of 293.15 to 333.15 K. The relationship between density and temperature was modeled linearly, while viscosity was fitted using the Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) model. The study also employed Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy to analyze the structural integrity of the DESs before and after VOC absorption.
The vapor-liquid partition coefficient ($K$), crucial for understanding solvation behavior, was determined using a headspace gas chromatography (HS-GC) system. The study highlighted the influence of VOC concentration and absorption temperature on the partition coefficient, emphasizing the need to balance thermodynamic and kinetic factors for optimal absorption efficiency. Regeneration of the absorbent was demonstrated through multiple absorption-desorption cycles, confirming the stability and reusability of the DESs. The findings indicate that the hydrophobicity of both VOCs and absorbents significantly affects absorption performance, with stronger hydrophobic interactions leading to enhanced VOC solubilization. Overall, the research underscores the potential of fatty acid-based DESs for effective VOC capture while maintaining structural stability after regeneration.