文章导读

碳酸二甲酯（DMC）是一种重要的绿色化工原料，可替代剧毒光气和致癌硫酸二甲酯，广泛应用于涂料、医药、聚碳酸酯合成等领域。然而，在其工业生产过程中，甲醇（MT）作为副产物难以避免，二者形成最低共沸物，传统精馏无法有效分离。目前工业常用的变压精馏工艺能耗极高，在“双碳”目标下亟需开发更清洁、更可持续的分离方案。离子液体（ILs）因具有极低蒸汽压、高热稳定性和强大的可设计性，在萃取精馏领域展现出巨大潜力。其中，吡啶类离子液体因其独特的共轭结构和可调的路易斯碱性尤为引人注目，但此前在DMC/MT体系中的应用尚属空白，其分离性能与微观机理有待系统揭示。

本研究首次将吡啶类离子液体[MPY][DMP]应用于DMC/MT共沸分离体系，结合COSMO‑RS高通量筛选、汽液平衡实验、分子动力学模拟与热泵辅助萃取精馏工艺设计，系统揭示了阴离子[DMP]⁻与甲醇之间的选择性氢键作用机理，并实现了能耗与成本的显著降低，填补了吡啶类离子液体在该体系中的应用空白。

研究亮点

● 从169种离子液体中筛选适配DMC/MT共沸分离的吡啶类离子液体，选取最优的[MPY][DMP]开展其分离应用研究。

● 分子动力学模拟揭示分离机制：[DMP]⁻阴离子与MT形成强选择性氢键，从微观层面解释破共沸原理。

● 设计热泵辅助萃取精馏工艺（HP-EDP），总能耗降低48.68%，年总成本降低8.27%。

内容概述

分子筛选与实验验证

基于COSMO‑RS 模型，对13种阳离子与13种阴离子组合的169种离子液体进行高通量筛选。图1展示了不同离子液体对MT/DMC体系的选择性及MT溶解度的影响。结果表明，[MPY][DMP]在两者之间取得最优平衡，被选定为最佳萃取剂。

图1. 基于COSMO-RS模型预测169种IL对MT/DMC体系的（a）选择性和（b）MT溶解度的影响。

为验证筛选结果，通过汽液平衡实验测定了不同[MPY][DMP]浓度下DMC/MT体系的VLE数据。从图2a中可以看出实验数据与文献数据吻合良好，验证了实验方法的可靠性；此外，加入[MPY][DMP]后，VLE曲线逐渐偏离对角线，共沸点被有效消除；平衡温度随离子液体浓度增加而显著上升；相对挥发度α_ij随[MPY][DMP]加入量增大而提高，当浓度达到3 mol/kg时，共沸完全消失，分离驱动力显著增强。上述结果充分验证了COSMO‑RS预测的准确性。在此基础上，采用NRTL模型关联实验数据，获得了可靠的热力学参数，为后续过程模拟奠定了坚实基础。

图2.（a）实验数据与文献数据的对比验证。（b）含[MPY][DMP] 的 DMC(1)/MT(2)/离子液体(3)体系的汽液平衡曲线。（c）[MPY][DMP]对DMC-MT二元体系平衡温度的影响。（d）[MPY][DMP]对DMC与MT之间相对挥发度a_ij的增强作用。

机理揭示与过程优化

通过σ-profile分析、静电势分析和分子动力学模拟，从分子层面揭示分离机制。结果表明，[DMP]⁻阴离子与MT之间形成强选择性的氢键网络，相互作用能远大于其与DMC的作用，这是破坏共沸的微观根源。在阐明分离机理的基础上，基于实验数据采用Aspen Plus设计热泵辅助萃取精馏工艺（HP-EDP），利用塔顶蒸汽潜热回收实现561.4 kW能量集成。相比传统工艺，HP-EDP总能耗降低48.68%，年总成本降低8.27%，显著优于工业常用的变压精馏工艺。

图3. σ-profiles图。

图4. HP-EDP工艺流程图。

总结与展望

该研究成功构建了从分子筛选到过程优化的完整技术链条，为DMC/MT共沸体系的经济、可持续分离提供了系统的理论基础和技术支撑。所开发的[MPY][DMP]离子液体通过一锅法合成，工艺简单，产率超过95%，成本仅为约3.65美元/公斤，较大多数常用离子液体低40%-70%，兼具良好的生物降解性和热稳定性。文章同时指出了工业化面临的关键挑战：离子液体的高粘度可通过复配低粘度绿色共溶剂加以改善，循环操作中的长期热稳定性需优化温度窗口并添加热稳定剂，设备腐蚀风险可通过选用哈氏合金或316L不锈钢等耐腐蚀材料有效防控。这些问题的系统研究将推动该绿色分离技术从实验室走向产业化应用。

作者简介

胡玉峰，教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才。主要研究方向为绿色化学与化工，清洁燃料生产技术，新能源科学与工程等。在著名期刊Chem. Rev.、AIChE. J.等上发表论文100余篇，出版英文专著1本。负责承担了国家自然基金项目、国家“863”计划项目、国家科技重大专项课题项目、教育部新世纪优秀人才项目、中海油科技攻关项目等；迄今取得发明专利授权12项，获省部级特等奖1项、一等奖4项、二等奖3项，高校十大科技进展奖1项，中国科学技术发展基金会奖2项，国际奖1项，国际期刊高频引用奖1项，国际期刊优秀审稿人奖1项。

国欣，辽宁石油化工大学，讲师。2024年毕业于中国石油大学（北京），师从胡玉峰教授。目前主要围绕石油化工领域催化分离材料的设计及其微观机理研究，主持辽宁省科技厅博士启动项目一项，参与多项国家自然基金面上项目，中石油等技术攻关项目。近几年以第一作者或者通讯作为累计发表SCI论文15篇，授权发明专利2项，多次参加国际及国内学术会议并做口头报告。

文章信息

X. Guo, C. Jiao, S. Jiang, J. Zhang, Y. Xu, Z. Su, Q. Liu, J. Li, Y. Hu, From molecular screening to process intensification: a green strategy for sustainable dimethyl carbonate/methanol separation via ionic liquid-heat pump hybrid design, Green Chemical Engineering, https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.05.001 (2026).

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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