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苯、甲苯和二甲苯這些輕質芳烴化學品（BTX）廣泛存在于工業環境中，是毒性最大的一類揮發性有機化合物（VOCs）之一。BTX流失到土壤和地下水中會對人類健康和生態系統造成嚴重危害。環境中BTX的持續累積使得減少它們的排放變得更加迫切。目前，可利用的BTX處理技術有焚燒法、生物降解法、溶劑吸收法、催化氧化法和吸附法等。其中，溶劑吸收法因其操作簡單，能在不破壞BTX結構的情況下捕獲BTX而得到廣泛應用。
在BTX吸附中，作為傳統有機溶劑的理想替代品，離子液體（IL）發揮著越來越重要的作用。盡管已經測量了大量熱力學數據以進一步評估基于IL的BTX吸收過程，這些數據仍處于實驗室規模，能耗、環境和經濟方面的綜合過程評估仍然缺乏。此外，以IL為基礎的BTX去除工藝的工業化還需要進行可持續和系統的評估，以減少在實際應用場景中可能出現故障的潛在風險。因此，為了降低工業化階段的風險，對吸附工藝進行系統的分析和評價，綜合考慮吸附材料的熱集成、生命周期環境影響和經濟效益，勢在必行。
圖1.BTX處理方法
（圖片來源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
北京工業大學的代成娜教授課題組比較了以三甘醇（TEG）吸收劑為方案和以[EMIM][Tf2N] IL為方案的BTX吸收過程，構建了基于[EMIM][Tf2N]IL和TEG的BTX吸收流程。通過能量評估，可以得到工藝能耗和物料平衡，并通過熱集成來評估兩種工藝的節能潛力；通過進行環境評估，可以計算每個階段工藝的生命周期影響（LCI），并回答哪個工藝更環保（IL或TEG）的問題；通過進行經濟評價，可以得到兩種工藝的總成本（CAPEX），并回答在這兩種工藝的總成本（固定成本或運行成本）中哪個部分占主要的問題。
圖2.BTX處理流程圖
（圖片來源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
能量分析表明，與[EMIM][Tf2N]方案相比，基于TEG的BTX吸收工藝需要更高的能量消耗（加熱和冷卻能量），后者分別是前者的1.08倍和0.74倍。關于[EMIM][Tf2N]方案，研究人員進行了熱集成以進一步評估其節能潛力。結果表明，該方案中熱集成后可節省5%和3.4%的冷熱公用設施。經濟分析表明，對于[EMIM][Tf2N]和TEG情景，TAC分別為48.41和61.11百萬美元/年，前者比后者低26.3%。因此，基于[EMIM][Tf2N]的BTX吸收工藝在經濟性能方面具有顯著的工業化潛力。環境分析表明，對于捕獲1 kg的BTX，無吸收劑回收的[EMIM][Tf2N]情景的生命周期影響在所有類別中都高于TEG情景，最大的差異在于AP類別。然而，在考慮IL的回收時，[EMIM][Tf2N]方案在所有生命周期類別中都比TEG表現得更好。
圖3.處理流程中的熱衡算
（圖片來源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
圖4.不同吸附流程的LCI對比
（圖片來源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
綜上所述，與傳統的三甘醇相比，以[EMIM][Tf2N] IL為吸收劑的BTX吸收工藝在能源和經濟方面都是一項具有競爭力的技術。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c07707
原文作者：
Bin Wu, Gangqiang Yu, Ning Liu, Ruinian Xu, Biaohua Chen, and Chengna Dai
DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c07707