化工行业产生的工业废水是空气、土壤和水污染的主要来源之一[1]。化工废水不仅对环境保护构成重大挑战,还导致资源的大量浪费。近年来,随着对绿色化学和可持续发展的日益重视,从有害的工业废水中回收高价值化学品已成为研究重点。
酮醇(KA)油是指环己酮(CHN)和环己醇(CHL)的混合物,这两种化合物是尼龙工业中生产己二酸(AA)和己内酰胺(CPL)的关键原料。这些化合物可以进一步选择性氧化或转化,并广泛用于制备尼龙-66和尼龙-6聚合物[2]。国内外KA油的主流生产过程涉及环己烷的液相催化氧化,从而产生CHN和CHL的混合物[3],[4]。在合成、产品分离和设备清洗过程中,残留的KA油通常会随废水排放。特别是在CPL和AA的生产过程中,酮肟化反应、贝克曼重排和进一步氧化会产生高浓度的CHN和CHL废水[5],[6],[7]。CHN和CHL难以降解,具有强烈的刺激性和毒性,对水生生物造成严重危害[7],[8]。从废水中回收CHN和CHL可以降低废水的化学需氧量(COD),减少后续处理的难度,并减轻废水对生态系统的影响[8]。此外,回收CHN和CHL还可以减少原料损失,提高资源利用率,实现废水的资源化利用。因此,开发一种高效且选择性的同时回收CHN和CHL的方法至关重要。
目前用于处理或回收废水中CHN/CHL的方法主要包括生物降解、电化学转化、萃取蒸馏、晶体吸附、膜分离和液-液萃取(LLE)等。生物降解主要依靠微生物的代谢活性部分降解或转化污染物[9]。陈等人[10]利用电化学转化方法将CHN和CHL转化为己二酸。然而,这种方法的效率通常不高[11]。史等人[11]结合了电化学和微生物氧化还原反应的特点,使用电催化耦合生物膜反应器降解受污染水中的CHN。在最佳条件下(施加电压:0.7 V,CHN浓度:20 mg L^-1,HRT:12 h),CHN的去除率可达97.61%,但仍无法从废水中回收CHN和CHL。萃取蒸馏技术成熟度较高,萃取效率也较高[12]。刘等人[12]使用Aspen模拟软件,采用压力摆动萃取蒸馏方法从ε-己内酰胺生产过程中产生的废水中分离出CHN,产品纯度达到99.9%,为废水组分分离的侧流萃取蒸馏过程的设计和控制提供了参考。王等人[13]通过集成蒸馏过程分离CHN和CHL,并基于此方法优化了能源消耗和设备投资成本。有机废水中的污染物浓度通常较低,且它们常与水形成共沸物或沸点高于水,导致萃取蒸馏能耗高、资本投入大[14],[15]。为了避免蒸馏过程中过高的能耗,赵等人[16]研究了使用大环菱形芳烃晶体吸附CHN的方法。在此基础上,李等人[17]使用二元自适应大环共晶吸附CHN,并对其颜色变化行为进行了深入分析。松本智明等人[17]使用1,3-二氨基杯芳烃晶体实现了从CHL混合物中选择性吸附CHN。然而,晶体吸附方法存在制备成本高和晶体稳定性差等缺点[18]。陶等人[18]使用铝基MOF膜分离CHN和CHL。Swathi Divakar等人[19]采用紧密纳米过滤膜分离CHN和CHL,但膜分离存在膜制备成本高和重复使用性差等问题。
近年来,LLE技术已高度成熟并广泛应用于从废水中回收高价值化学品。其原理基于目标组分在萃取剂和水之间的分配系数差异,从而实现目标组分的选择性转移[20],[21],[22],[23]。目前最常用的萃取剂是挥发性有机化合物(VOCs)。郭等人[24]使用正丙基醋酸酯和甲基醋酸酯从接近共沸系统中分离CHN和水,最佳萃取剂正丙基醋酸酯在常温和常压条件下的分配系数为62.5,选择性为759.45。刘等人[25]使用甲基异丁基甲醇(MIBC)和甲基异丁基酮(MIBK)作为LLE溶剂从水溶液中回收CHL,这两种有机溶剂均表现出良好的分离性能。MIBC对CHL的分配系数较高(98.82),而MIBK的选择性更好(426.9)。LLE用于从水中分离CHN/CHL的可行性得到了验证,因为该过程条件温和、能耗低且所需设备少。然而,目前使用的挥发性有机萃取剂的低生物降解性、挥发性和高毒性不再符合绿色化学的要求,对环境安全和人类健康构成严重威胁。因此,需要选择更环保和高效的萃取剂[26],[27],[28]。
离子液体(ILs)和深共晶溶剂(DESs)是两类新兴的萃取剂。其中,ILs由于蒸气压低,可以减少有机萃取剂蒸发到大气中造成的空气污染[29]。然而,由于成本高、粘度大、合成过程复杂以及某些ILs的毒性,它们尚未能够成为真正的绿色萃取剂[30],[31]。DESs是由氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)按一定比例混合并在氢键作用下形成的,其合成过程会导致熔点、粘度和溶解度等物理性质的变化[32]。DESs的合成所用材料种类繁多,大多数价格低廉,且合成条件相对简单,因此成本很低。从环保角度来看,DESs可以由非石油基产品合成,并具有很强的生物降解性,符合绿色化学的原则。此外,DESs的可调物理和化学性质使其能够适应各种应用场景[33],[34],[35],[36],[37]。疏水性HDESs表现出优异的疏水性[38],大量研究表明,它们在作为废水处理LLE过程中的萃取剂时在水中的稳定性非常好[37],[39],[40],[41]。
总之,目前尚无关于使用HDESs作为萃取剂从废水中回收CHN和CHL的研究,也缺乏利用分子模拟方法分析CHN/CHL从水中分离微观机制的研究。由于萜类化合物在自然界中广泛存在,并具有可再生、低成本、低毒性和可生物降解等特性,它们是绿色萃取过程的理想候选者[42],[43],[44]。辛醇(OCT)、癸醇(DEC)和三丁基磷酸酯(TBPO)具有低挥发性和低毒性,极性良好,可以与萜类化合物形成稳定的HDESs[45],[46],[47],[48]。因此,本研究选择了三种代表性的萜类化合物——百里酚(Thy)、薄荷醇(Mth)和香叶醇(Ger),以及两种长链醇OCT和DEC和TBPO,合成了九种稳定的HDESs作为萃取剂。这些HDESs用于在含有CHN和CHL的水溶液模拟系统中进行LLE过程。此外,还利用分子模拟方法研究了分离过程的微观机制。