低共熔溶劑用于萃取分離的研究進展

成洪業(yè)，漆志文

（華東理工大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，上海200237）

低共熔溶劑（deep eutectic solvent，簡稱DES）作為一種新型的綠色溶劑，擁有與離子液體媲美的優(yōu)良特性，且具有成本低廉和制備簡單的優(yōu)勢，使得DES 正逐步替代傳統(tǒng)有機溶劑，成為分離和反應(yīng)領(lǐng)域的新熱點[1-3]。在2018 年中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學(xué)院文獻情報中心和科睿唯安共同發(fā)布的《2018研究前沿》[4]和《2018研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》[5]報告中，低共熔溶劑已成為化學(xué)與材料學(xué)科Top10熱點之一，是綠色化學(xué)和綠色化工的發(fā)展趨勢。

作為新一代的離子液體，DES的概念由Abbot[6]在2003 年首次提出。DES 通常由季銨鹽、季鹽等氫鍵受體（HBA）和酰胺、羧酸、醇等氫鍵供體（HBD）在一定比例下通過氫鍵結(jié)合形成的低熔點混合物。DES不僅具備離子液體的優(yōu)點，還具有廉價、易制備、可降解、生物相容性好等特有性能，使得DES 在氣體吸收、萃取分離、化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。特別是在萃取分離領(lǐng)域，與傳統(tǒng)有機萃取劑相比，DES除綠色環(huán)保性能外，可設(shè)計性是其在萃取應(yīng)用中的另一大優(yōu)勢。通過改變DES 的HBA 和HBD 的種類和比例，來調(diào)控DES 的物性以適應(yīng)萃取操作窗口，也可調(diào)控它對溶質(zhì)組分的氫鍵形成能力和作用強度，來提高對溶質(zhì)的識別能力，為DES 在萃取分離過程中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

DES 在混合物萃取分離方面具有廣泛的應(yīng)用。按目前文獻報道的DES 用于萃取分離的方式，主要分為三類（圖1）。

圖1 低共熔溶劑用于萃取分離過程的三種方式

（1）DES 直接用于萃取分離。先將HBA 和HBD 混合形成DES，將形成的DES 作為萃取劑，通過液液萃取的方式將目標(biāo)物從待分離混合物中選擇性萃取。

（2）在線形成DES 的締合萃取分離。目標(biāo)物具有氫鍵供體或氫鍵受體的特性，以氫鍵受體或氫鍵供體為萃取劑，在萃取過程中通過與目標(biāo)物產(chǎn)生氫鍵作用在線形成DES，同時完成對目標(biāo)物的選擇性萃取分離。

（3）利用DES 的分解完成萃取。DES 的HBA和HBD 分別具有親/疏水特性，在萃取過程中，疏水性組分起萃取作用，而親水性組分起分散作用、促進疏水性組分與溶質(zhì)組分在水相中的充分接觸，有利于溶質(zhì)由水相向有機相的轉(zhuǎn)移。在萃取過程中，HBA 和HBD 組分間的作用力被破壞，導(dǎo)致DES 的分解。此方法常用于DES 用量少的微萃取過程。

本文綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)DES 在萃取分離方面的研究報道，介紹了DES 直接用于液液萃取、在線生成DES 的締合萃取和通過DES 分解完成萃取的應(yīng)用，闡述了DES 的回收方法與穩(wěn)定性，探討了DES 萃取分離體系的理論發(fā)展和萃取機理，最后展望了DES 用于萃取分離過程的工業(yè)化前景和面臨的挑戰(zhàn)。

1 DES直接用于萃取分離

DES直接作為萃取劑用于混合物分離過程是最常用的方法。將HBA 和HBD 混合形成DES，利用DES與目標(biāo)物之間的相互作用，將目標(biāo)物從待分離混合物中選擇性萃取到DES 相中，實現(xiàn)混合物的分離。按分離體系的性質(zhì)，可以分為從油相中萃取溶質(zhì)、從水相中萃取溶質(zhì)和雙水相萃取溶質(zhì)，涉及石油化工、煤化工、生物化工、環(huán)境檢測、天然產(chǎn)物等領(lǐng)域。

1.1 從油相中萃取分離芳香性化合物

在石油化工、煤化工領(lǐng)域，將芳烴與非芳組分進行分離具有重要的工業(yè)背景。芳香性化合物包含芳烴、噻吩類硫化物和芳香性氮化物等。其中，芳烴是重要的化工原料，但芳烴與烷烴的沸點相近，難以通過精餾的方式實現(xiàn)芳烴-烷烴混合物的分離，工業(yè)上常用環(huán)丁砜等有機溶劑對芳烴進行萃取分離，而有機溶劑存在易揮發(fā)、有毒、易燃等缺點，研究者正在尋找可替代的綠色溶劑；燃料油脫硫?qū)τ谔岣呷加推焚|(zhì)和達到國家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，而噻吩類硫化物較難通過常規(guī)的加氫脫硫方法進行有效脫除，由于DES 與噻吩類硫化物的作用力強，選擇合適的DES 可實現(xiàn)燃料油的深度脫硫；同樣，將燃料油中的氮化物脫除，不僅為了滿足降低氮氧化物排放的環(huán)保要求，也為了抑制氮化物對后續(xù)加氫脫硫過程的影響。

1.1.1 DES用于芳烴-烷烴混合物的分離

DES作為萃取劑用于分離芳烴-非芳烴混合物，近年來已有許多相關(guān)報道[7-14]。目前已報道的工作以輕質(zhì)芳烴（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）的萃取為主，研究者制備了一系列的DES 用于輕質(zhì)芳烴的萃取分離，考察了HBA/HBD 比例、DES/模型油比例、芳烴初始濃度及萃取溫度等因素對選擇性和分配系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)DES 對輕質(zhì)芳烴具有很好的萃取效果，且萃取效果與DES 的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如Wu課題組[12]用DES 萃取甲苯時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)HBA 的陰離子較大、陽離子的鏈長較短和中心原子較小時，選擇合適鏈長和官能團的HBD，形成的DES 將極大提高對甲苯的選擇性，其中膽堿類和四乙基銨鹽為HBA 形成的DES 對甲苯的選擇性比環(huán)丁砜（選擇性33.6和分配系數(shù)0.39）高，但分配系數(shù)低，而四丁基溴化磷為HBA 形成的DES 的分配系數(shù)比環(huán)丁砜高，但選擇性低。

除了從油相中萃取輕質(zhì)芳烴外，將柴油中的重芳烴和非芳烴組分分離也具有重要的工業(yè)意義，特別是將催化裂化柴油中的芳烴和非芳烴進行分離后，將非芳組分用作清潔柴油的調(diào)和組分，將芳烴組分用作加氫裂化制輕質(zhì)芳烴的原料，可實現(xiàn)催化裂化柴油效益最大化。本文作者課題組[15]以四丁基溴化磷為HBA 和羧酸類HBD 形成的DES 從模擬輕質(zhì)循環(huán)柴油中萃取四氫萘，以分配系數(shù)、選擇性、綜合性能指標(biāo)及DES 在油相中的溶解度為評價指標(biāo)，考察了HBD種類、HBA/HBD 摩爾比對萃取效果的影響，發(fā)現(xiàn)四丁基溴化磷與乙酰丙酸在1∶4摩爾比下形成的DES 具有很好的萃取效果；1H NMR 譜圖表明DES 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在重復(fù)利用多次后DES 結(jié)構(gòu)和組成不變。在實驗基礎(chǔ)上，利用Aspen Plus 設(shè)計了連續(xù)萃取分離工藝，優(yōu)化了萃取塔和反萃塔的工藝參數(shù)，模擬得到了純度為98%、回收率為99.4%的四氫萘和純度為98.7%、回收率為95.4%的十二烷。

1.1.2 DES用于燃料油脫硫

DES 作為萃取劑用于燃油脫硫過程也是可行的[16-23]。Li 等[16]將氯化膽堿、四甲基氯化銨和四丁基氯化銨作為HBA，將乙二醇、丙三醇、四甘醇、聚乙二醇、丙酸、丙二酸作為HBD，制備了一系列DES，用于模型燃料油的萃取脫硫。研究結(jié)果表明，HBA 和HBD 的結(jié)構(gòu)對脫硫率的影響較大，鏈長較長的四丁基氯化銨基DES 比氯化膽堿基DES的脫硫率高，當(dāng)以聚乙二醇為HBD 時，DES 的單級脫硫率為82.83%，經(jīng)過5級萃取脫硫，模型油中的硫含量可降低至8.5mg/L。在此基礎(chǔ)上，Li 等[17]加入金屬氯化物形成的DES 的單級脫硫率可達89.53%，金屬氯化物FeCl3與二苯并噻吩的π 電子強相互作用促進了DES的高效萃取脫硫。Zhu課題組[24-25]分別制備了以1-甲基咪唑與丙酸形成DES和三乙胺與丙酸、乙酸、甲酸形成的DES，從模擬燃料油中萃取二苯并噻吩，研究結(jié)果表明DES 與二苯并噻吩存在CH-π和氫鍵作用，使得DES對二苯并噻吩具有較高的分配系數(shù)；當(dāng)向模型油中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的對二甲苯和15%的環(huán)己烯時，DES的萃取脫硫率略有降低，相比氧化萃取脫硫效果的大幅降低，DES直接萃取脫硫的方式更具優(yōu)勢。Li等[21]考察了DES 對不同噻吩類硫化物的萃取效果，利用四丁基溴化銨和甲酸形成的DES，在優(yōu)化條件下，從燃料油中萃取噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩的單級脫硫率分別為72%、81.75%和80.47%。

在前人工作基礎(chǔ)上，本文作者課題組[26]使用COSMO-RS 模型從49 種DES 中篩選用于燃料油脫硫的萃取劑，發(fā)現(xiàn)四丁基溴化磷基的DES 分配系數(shù)高，而氯化膽堿基的DES 選擇性高。由四丁基溴化磷和二甲基甲酰胺形成的DES 具有較高的脫硫率（82.1%），經(jīng)過3級萃取，可將模型油硫含量從500mg/L降低至10mg/L以下。在此基礎(chǔ)上，利用二苯并噻吩與四丁基溴化磷的吸引作用和與水的排斥作用，通過調(diào)節(jié)萃取體系中的水分含量即可完成萃取和反萃取過程的循環(huán)。通過測量四丁基溴化磷-水體系的固液相平衡以及二苯并噻吩在四丁基溴化磷-水混合物中的溶解度，確定了萃取與反萃取的操作窗口。在四丁基溴化磷與水摩爾比1∶2時，DES 對二苯并噻吩的單級脫硫率可達70.4%，重復(fù)利用4次，脫硫率無明顯下降，且經(jīng)過4級萃取，模型油硫含量從500mg/kg 降低至10mg/kg 以下，實現(xiàn)了油品的深度脫硫[27]。

1.1.3 DES用于燃料油脫氮

燃料油中氮化物的脫除也受到了研究者的廣泛關(guān)注。Ren 課題組[28-29]首次提出了基于DES 的燃料油脫氮方法，發(fā)現(xiàn)DES 對堿性和非堿性氮化物不僅具有很高的脫除率，也具有很高的選擇性；他們制備了8種DES用于氮化物的脫除，發(fā)現(xiàn)DES的結(jié)構(gòu)和組成對脫氮效率和機理都會產(chǎn)生影響，特別要注意控制HBD 的酸性，若HBD 酸性弱，則DES 對堿性氮化物的作用力弱，若HBD 酸性太強，則DES會與堿性氮化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致DES再生困難。氯化膽堿與苯乙酸在1∶2 摩爾比下形成的DES 表現(xiàn)出高效的脫氮性能，在308K和1∶1劑油比條件下，吡啶的脫除率為99.2%，咔唑的脫除率為98.2%，比有機溶劑和離子液體的脫氮率都要高。Liu 等[30]利用四乙基季銨鹽和丙二酸形成的DES 脫除模擬柴油中多環(huán)氮化物喹啉和吲哚，在1∶7 劑油比條件下，喹啉和吲哚的脫除率分別為97.7%和90.1%。利用石油醚洗滌將DES 再生，重復(fù)使用4 次后，喹啉和吲哚的脫除率仍保持為86.4%和78.9%。

1.1.4 DES用于油中芳香性化合物的同時脫除

DES對油相中的芳烴、硫化物、氮化物都有較好的萃取效果。研究者也開始用DES 同時脫除油相中的多種芳香性化合物。Marrucho團隊[31]利用四丁基溴化磷與環(huán)丁砜形成的DES 從模擬燃油中同時脫除硫化物和氮化物，其中硫化物為噻吩和二苯并噻吩，氮化物為吡啶和咔唑，結(jié)果表明DES 具有很高的脫硫和脫氮效率，噻吩、二苯并噻吩、吡啶和咔唑的脫除效率分別為63%、86%、100%和100%，實現(xiàn)了燃料油的同時脫硫脫氮。Liu 課題組[32]用氯化膽堿基DES 對燃料油同時脫硫和脫氮，對于堿性的喹啉，利用氯化膽堿和扁桃酸形成的DES，采用酸堿萃取方法達到了99.2%的脫氮率；對于近中性的咔唑和二苯并噻吩，咔唑的脫除率達94.9%，而二苯并噻吩因其極性低而不易脫除，加入H2O2后，用氯化膽堿和苯磺酸形成的DES，脫硫率可達99.1%，DES 對真實油也有較高的脫硫率（67.7%）和脫氮率（63.7%）。Rogo?i? 等[33]利用氯化膽堿和乙二醇/甘油形成的DES 為萃取劑，對模擬和真實汽油同時脫芳、脫硫和脫氮，發(fā)現(xiàn)相比芳烴和硫化物，DES對氮化物的脫除效果最好。

綜上所述，DES對油中芳香性化合物均具有很好的萃取效果，有工業(yè)化開發(fā)的潛力和運用前景。同時，研究者也發(fā)現(xiàn)目前利用DES 對油中芳香性化合物的萃取分離研究，主要采用模型油為研究對象，以關(guān)鍵組分形成的模型油將有助于快速選擇DES 和理解萃取過程，但對于組分復(fù)雜的真實油，DES的分離效果會有所降低，利用真實油進一步驗證DES 的萃取效果，對于DES 的工業(yè)化應(yīng)用是非常有必要的。此外，雖然DES 對芳香性化合物的萃取率高，脫芳、脫硫、脫氮效果好，但燃料油對溶劑的污染非常敏感和苛刻，特別是在新國家標(biāo)準(zhǔn)下，在選擇DES 做萃取劑時應(yīng)特別注意，需加入DES在燃料油或烷烴中的溶解度作為評價指標(biāo)。

1.2 從水相中萃取溶質(zhì)

分離體系的性質(zhì)不同，所要求的DES 的性質(zhì)也不相同。從油相中萃取溶質(zhì)，常采用親水性DES，而從水溶液中萃取溶質(zhì)，則常采用疏水性DES[34]，以便于分相達到液液萃取的目的。利用疏水性DES 從水相中萃取溶質(zhì)的應(yīng)用涉及生物化工、冶金、環(huán)境檢測等領(lǐng)域[35-36]，如從生物發(fā)酵液中提取低碳醇、短鏈脂肪酸等有機物，從水溶液中萃取染料分子、金屬離子、雙酚A、殺蟲劑等。

Kroon 課題組[37]以多種季銨鹽為HBA 和癸酸為HBD，在HBA∶HBD 摩爾比1∶2 條件下，制備了一系列疏水性DES 用于萃取水相中的乙酸、丙酸和丁酸，研究結(jié)果表明季銨鹽的鏈長越長，DES對短鏈脂肪酸的萃取率越高，同時DES 相的水含量以及鹽析量也相應(yīng)降低。Banerjee 團隊[38-39]以薄荷醇為HBA 和以癸酸和月桂酸分別為HBD，將HBA∶HBD 摩爾比2∶1 條件下形成的DES 從水溶液中萃取乙醇、正丙醇和正丁醇，通過比較分配系數(shù)和選擇性，發(fā)現(xiàn)DES 對正丁醇的萃取分離效果最好。

為保證從水相中萃取溶質(zhì)時DES 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，疏水性DES 的HBA 和HBD 也均為疏水性組分。常用的HBA 為長鏈的季銨鹽和季鹽、薄荷醇和百里酚，HBD 為長鏈羧酸、長鏈醇等。盡管如此，疏水性DES 也是HBA 和HBD 通過氫鍵作用形成，從水相中萃取溶質(zhì)時，總會與水分子發(fā)生相互作用，由于水形成氫鍵的能力更強，可以不同程度地破壞DES組分間的氫鍵[40]，使得疏水性DES較容易破壞，對于某些分離體系，在萃取前后DES相的HBA和HBD組分比例會發(fā)生變化。

1.3 DES用于雙水相萃取

DES除了從油相和水相中萃取溶質(zhì)外，也可用于雙水相萃取蛋白質(zhì)、核酸、植物多酚等生物活性組分。因為許多生物活性組分有較強的親水性，無法用有機溶劑萃取，且蛋白質(zhì)在有機溶劑相中易變性失活，通過DES 構(gòu)建雙水相體系，利用生物活性組分在兩個水相中溶解度的差異可實現(xiàn)選擇性的分離。

Wang課題組[41-43]分別制備了基于氯化膽堿和甜菜堿的DES，用于形成雙水相體系萃取蛋白質(zhì)。考察了鹽濃度、DES用量、分離時間、蛋白量等實驗條件的影響，在最優(yōu)條件下，氯化膽堿-甘油形成的DES 對牛血清白蛋白的萃取率達到了98.16%，甜菜堿-尿素形成的DES 對蛋白的萃取率達到了99.82%。通過表征手段發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的構(gòu)象在萃取過程中沒有發(fā)生變化，DES和蛋白質(zhì)簇集物的形成是萃取過程的主要驅(qū)動力。這些工作為基于DES的雙水相體系用于萃取分離蛋白質(zhì)提供了新思路。

DES作為新型綠色溶劑，在雙水相萃取體系中具有應(yīng)用的潛力。但仍面臨一些挑戰(zhàn)，如DES 和目標(biāo)分子的回收利用是其工業(yè)化應(yīng)用的制約因素，因此，在選擇DES 用于雙水相體系時，即要考慮DES的萃取效果，也要考慮回收再利用效果；DES對萃取分離生物大分子的機理，可通過紫外光譜、紅外光譜、圓二色譜、動態(tài)激光散射和透射電鏡等方法表征，但仍需分子尺度的模擬方法進一步研究。

綜上所述，DES直接萃取的應(yīng)用非常廣泛，通過改變HBA 和HBD 的種類和比例來調(diào)變DES 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，這使得DES 有更寬的選擇范圍以適應(yīng)新的萃取分離體系。除上述典型應(yīng)用外，DES直接萃取還可用于醇和烷烴共沸物的分離[44]、天然產(chǎn)物中提取生物活性組分[45]等，再借助超聲波[46]和微波[47]等外場強化設(shè)備輔助萃取，將大幅提高DES的萃取率。

2 在線生成DES的締合萃取應(yīng)用

對于含有相似結(jié)構(gòu)分子的分離體系的研究，需要找到更好的方法對目標(biāo)物進行高選擇性分離?；谠诰€形成DES 的締合萃取方法，在分離領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，并取得了良好的效果。該方法中目標(biāo)物具備氫鍵供體或氫鍵受體能力，締合萃取劑則具有氫鍵受體或氫鍵供體能力，在萃取過程中，締合萃取劑與目標(biāo)物在產(chǎn)生氫鍵作用形成DES 的同時，完成了對目標(biāo)物的選擇性萃取分離。目前已報道的利用在線生成DES 的分離體系包括從植物油脫臭餾出物中萃取天然維生素E，從柑橘精油中萃取分離萜類化合物，從油相中萃取酚類物質(zhì)和吲哚，以及從水相中提取非甾體類抗炎藥（雙氯芬酸、氟比洛芬、酮洛芬、甲芬那酸）和增白劑52等。

2.1 從植物油脫臭餾出物中萃取天然維生素E

天然維生素E的主要來源是植物油精煉過程的脫臭餾出物。除維生素E外，植物油煉制脫臭餾出物中還含有大量結(jié)構(gòu)相似的組分，如脂肪酸甲酯等。由于混合物組分的分子量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時具有極性的親水基團和疏水的碳骨架片段，導(dǎo)致混合物組分沸點高且性質(zhì)相似，常規(guī)分離單元操作困難。目標(biāo)物維生素E相比待分離體系中的其他組分有微弱的氫鍵供體性質(zhì)，使得它可以與一些氫鍵受體有機鹽通過氫鍵作用形成DES。

本文作者課題組[48]提出一種在線生成DES的締合萃取分離技術(shù)以提取維生素E，即通過萃取過程中特定有機鹽與維生素E分子之間形成DES而將它分離回收的方法。首先從理論分析了三種常用有機氯鹽與代表性維生素E 組分α-生育酚在線形成DES 的能力，通過實驗篩選了四丁基氯化銨。隨后，測定了不同四丁基氯化銨/α-生育酚比例下的DES 凝固點，發(fā)現(xiàn)HBA 與HBD 比例對凝固點有很大的影響，在此基礎(chǔ)上確定了締合萃取過程操作窗口，結(jié)合兩步反萃取法，對模型和實際甲酯化脫臭餾出物進行萃取實驗驗證，分別獲得純度為99.6%的α-生育酚和純度大于79.2%的維生素E產(chǎn)品。同時，研究也表明四丁基氯化銨有著較低的損耗，較好的再生利用性和穩(wěn)定性。在締合萃取的基礎(chǔ)上，為進一步提高維生素E的選擇性，加入有機溶劑形成雙相系統(tǒng)[49]，有機溶劑通過萃取脂肪酸甲酯以降低其在DES 相中的濃度，從而提高維生素E 的選擇性。

2.2 柑橘精油中萃取分離萜類化合物

萜類化合物作為萜烯的含氧衍生物，是自然界中化學(xué)結(jié)構(gòu)最為豐富的一類化合物，應(yīng)用于食品、日化、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[50]。萜類化合物廣泛存在于植物精油中，但其含量普遍較低，為保證精油的品質(zhì)，常將萜類化合物與萜烯烴進行分離。

本文作者課題組[51]以檸檬烯和芳樟醇的混合物為模擬柑橘精油，考察了8種季銨鹽與芳樟醇在線生成DES 的可行性，結(jié)果表明，當(dāng)季銨鹽陽離子鏈長較短時，無法形成液相的DES，而當(dāng)季銨鹽陽離子鏈長過長時，形成的液相DES 又會溶于檸檬烯相，無法完成分離。四丁基氯化銨既能與芳樟醇在線形成液相的DES，又不溶于檸檬烯相，是理想的締合萃取劑，可將芳樟醇選擇性地從混合物中高效地萃取出來，實現(xiàn)芳樟醇與檸檬烯的分離，結(jié)合兩步反萃取法，可獲得純度為98.7%的芳樟醇產(chǎn)品。

2.3 油相中酚類物質(zhì)的萃取分離

酚類物質(zhì)是一種重要的有機化工原料，是聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂、尼龍及各種藥物的前體，主要存在于煤液化油、煤焦油和石油中。傳統(tǒng)的分離方法是通過堿液和硫酸溶液從油相中分離酚類物質(zhì)，此過程會消耗大量的強堿和強酸，并產(chǎn)生大量的高濃度含酚廢水。

Wu 課題組[52]發(fā)現(xiàn)氯化膽堿和苯酚形成的DES不溶于油相，這為從油相中萃取分離苯酚提供了一種新的思路。他們利用不同的季銨鹽對模型油中的苯酚進行締合萃取[53-54]，考察了季銨鹽陰陽離子結(jié)構(gòu)對萃取效果的影響，發(fā)現(xiàn)四乙基氯化銨對苯酚的萃取效果最好，在季銨鹽與苯酚摩爾比為0.8∶1條件下，能除去99.9%的苯酚，形成DES的主要原因是由于苯酚的羥基與有機鹽氯離子的氫鍵作用。

Wang 課題組[55]利用氯化膽堿及其衍生物[N1,1,nC2OH]Cl（n=1,4,6,8）從模型油中分離酚類物質(zhì)。為深入理解酚類物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與分離效率的構(gòu)效關(guān)系，他們考察了26 種含有不同官能團取代基的酚類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)只有16 種酚類物質(zhì)能從甲苯中萃取分離，萃取率從28.1%到94.7%。酚類物質(zhì)與膽堿類鹽的氫鍵作用力是分離的主要驅(qū)動力，酚類物質(zhì)上官能團的性質(zhì)、位置、個數(shù)以及膽堿類鹽陽離子結(jié)構(gòu)對酚類物質(zhì)的分離效率都有很大的影響。陽離子鏈長越長，陰陽離子間的靜電相互作用越弱，使得陰離子Cl-更容易與酚類物質(zhì)形成DES，因而分離效率越高。但陽離子鏈長過長，如[N1,1,8C2OH]Cl，形成的DES 會與甲苯互溶，導(dǎo)致無法分相。膽堿類鹽可通過乙醚洗滌進行回收，經(jīng)過5 次循環(huán)后，1H NMR 譜圖顯示膽堿類鹽的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.4 油相中吲哚的萃取分離

Wu 課題組[58]發(fā)現(xiàn)季銨鹽能與吲哚形成DES，并基于該現(xiàn)象利用季銨鹽將洗滌油中的吲哚通過在線生成DES 的方法萃取出來。三乙基甲基氯化銨、四乙基氯化銨和四丙基氯化銨三種季銨鹽對吲哚的最大分配系數(shù)分別為29.5、40.8和91.9，萃取效果遠高于其他有機溶劑的表現(xiàn)。四丙基氯化銨對吲哚表現(xiàn)出最好的萃取效果，可以將96.7%的吲哚萃取分離。

2.5 在線形成疏水性DES

Aroso 等[59]發(fā)現(xiàn)薄荷醇與非甾體抗炎藥能夠形成DES。在此基礎(chǔ)上，Shishov等[60]利用疏水性的薄荷醇通過羥基基團與酮洛芬和雙氯芬酸的羧基基團之間的氫鍵作用形成DES，在線將非甾體抗炎藥從水相中萃取出來。此微萃取過程可在1min 內(nèi)達到平衡，萃取率在93%以上。Shishov 等[61]又利用薄荷醇通過在線生成DES 的方法實現(xiàn)了從牛奶中萃取分離非甾體抗炎藥（雙氯芬酸、氟比洛芬、酮洛芬和甲芬那酸）。

Fan 課題組[62]利用在線形成疏水性DES 的方法從水相中萃取熒光增白劑52，所用的萃取劑為對羥基苯甲酸酯，考察了對羥基苯甲酸酯的結(jié)構(gòu)、溶劑的pH、系統(tǒng)溫度、萃取劑用量及溶質(zhì)初始含量對萃取效率的影響，發(fā)現(xiàn)4-羥基苯甲酸2-乙基己酯可在室溫下將痕量的熒光增白劑52（0.05μg/L）萃取出來，通過FTIR和1H NMR分析發(fā)現(xiàn)熒光增白劑52和4-羥基苯甲酸2-乙基己酯形成了強氫鍵作用，這是DES 形成的主要原因。此方法已成功從實際食物和與食物接觸有關(guān)的材料中萃取熒光增白劑52，且都表現(xiàn)出很高的萃取率。

通過不同的締合萃取分離體系可以看出，當(dāng)有機鹽陽離子較小時，陰陽離子間作用力大，氫鍵供體無法破壞有機鹽的晶格，從而無法形成液相DES；當(dāng)有機鹽陽離子鏈長越長，陰陽離子間的靜電相互作用越弱，使得陰離子更容易與氫鍵供體形成DES，有利于締合萃?。坏?dāng)有機鹽陽離子鏈長過長時，形成的DES 與混合物互溶，無法完成萃取。因此，締合萃取過程不僅與有機鹽的陰陽離子作用大小有關(guān)，也與氫鍵供體與有機鹽的氫鍵作用大小有關(guān)。

綜上所述，利用在線形成DES 的萃取方法具有萃取率高、選擇性高的優(yōu)勢。但相較于DES 直接萃取方法，締合萃取過程對氫鍵供體或氫鍵受體的要求更高，不僅要求能與目標(biāo)物形成DES，還要使形成的DES 不溶于混合物，導(dǎo)致締合萃取劑的選擇范圍較窄。

3 利用DES分解完成萃取分離

Shishov 等[63]發(fā)現(xiàn)HBA 氯化膽堿和HBD 苯酚形成的DES 在水相中會發(fā)生分解，這是因為氯化膽堿和苯酚分別為親水性和疏水性組分。HBA 和HBD 如在萃取過程中起不同的作用，其中疏水性的HBD 作為萃取劑與目標(biāo)物作用，親水性的HBA作為分散劑，將有利于疏水性HBD 在水相中的分散及與目標(biāo)物的接觸，促進目標(biāo)物從水相向有機相傳質(zhì)。Shishov等[64]首次將DES分解的萃取方法用于化學(xué)分析過程，完成分析物的分離和預(yù)濃縮。他們以四丁基溴化銨為HBA和以長鏈醇（戊醇、庚醇、辛醇、癸醇和十二醇）為HBD 形成的DES，用于17β-雌二醇的微萃取過程，萃取率為95%±5%，且具有較好的重復(fù)性。溶質(zhì)的萃取率與HBD 的結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)HBD 在水中溶解度過高時，溶質(zhì)在水中的溶解度也增加，萃取率降低；當(dāng)HBD 在水中溶解度過低時，HBA 在水中的分散率降低，溶質(zhì)萃取率降低。擁有合適鏈長的庚醇形成的DES，對溶質(zhì)萃取率和可重復(fù)性最高。

在此基礎(chǔ)上，Shishov等[65]利用疏水性的薄荷醇與親水性的甲酸形成的DES，采用DES分解的萃取方法，從牛肝臟中萃取酮洛芬和雙氯芬酸。疏水性薄荷醇主要起萃取作用，但它的熔點是40℃，無法在室溫下用于萃取，與甲酸形成的DES 為液相。在萃取過程中，甲酸溶于水相，與水相中碳酸鈉反應(yīng)生成CO2擾動了萃取體系，促進了疏水性薄荷醇在水相中的分散，從而強化了萃取過程。

通過上述研究可以看出，利用DES 分解完成萃取分離是一次性的，DES分解后無法再回用。因此，此方法常用于DES 用量較少的液液微萃取過程，即分析檢測物的分離和提濃過程。

4 低共熔溶劑的回收利用

DES 的回收利用對于其工業(yè)化應(yīng)用十分重要，這不僅是經(jīng)濟性方面的需求，也是環(huán)保方面的要求。在萃取過程中，DES的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利于其回收再利用。

4.1 DES在萃取過程中的穩(wěn)定性

DES 是由HBA 和HBD 通過氫鍵作用形成的低共熔混合物。與離子液體陰陽離子間的作用相比，HBA 和HBD 形成的氫鍵作用相對較弱，使得DES在萃取過程中的穩(wěn)定性與分離體系的性質(zhì)密切相關(guān)。

Coutinho 團隊[66]以氯化膽堿為HBA和以羧酸類化合物/尿素為HBD 形成的DES 作為雙水相系統(tǒng)的形成組分，研究了DES 在雙水相系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)在雙水相萃取過程中DES 形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)被水分子破壞，組分被溶劑化，使得HBD 和HBA 在兩相中的組成并沒有按照形成DES 的化學(xué)計量比分配，對DES進行回收再利用將變得困難。

本文作者課題組[15]利用四丁基溴化磷與乙酰丙酸形成的DES，萃取分離四氫萘和十二烷混合物。DES 經(jīng)過4 次循環(huán)使用后，與新鮮DES 在1H NMR譜圖中峰位置、形狀及相對強度都一致，說明DES的組成和比例不變，結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

因此，當(dāng)分離體系為非極性或弱極性混合物時，混合物組分與DES 的作用不足以破壞DES 的結(jié)構(gòu)，使得DES 在萃取過程中保持穩(wěn)定；而當(dāng)分離體系為極性混合物時，如水相體系，DES與形成氫鍵能力更強的水分子作用，使得HBA 和HBD 的組成比例在兩相中的分配會有所變化。

4.2 DES的再生方法

DES具有和離子液體類似的飽和蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點。對于輕組分溶質(zhì)，如輕質(zhì)芳烴、噻吩、吡啶等，利用真空蒸餾的方式即可將DES與溶質(zhì)進行分離，完成DES 的回收再利用。對于重組分溶質(zhì)，如二苯并噻吩、生物活性組分等，無法通過蒸餾或精餾的方式將DES 與溶質(zhì)分離，需引入反萃取劑或抗溶劑對DES 進行回收。有機溶劑如乙醚、甲基叔丁基醚等作為反萃取劑將溶質(zhì)從DES相中萃取出來后，再通過蒸餾的方式對有機溶劑進行回收和利用。有機溶劑在反萃取過程的加入，將降低整個萃取過程的綠色性，同時也使萃取過程的步驟變得復(fù)雜。

本文作者課題組[27]以水為抗溶劑，通過水與DES的強相互作用，破壞DES與溶質(zhì)的作用，使溶質(zhì)能夠從DES 相中重新分離出來；同時水也作為氫鍵供體，與有機鹽氫鍵受體混合形成液體DES，在少量水時使溶質(zhì)萃取到DES 相，在大量水時使溶質(zhì)析出DES 相，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)水分含量即可完成萃取與反萃取的循環(huán)過程。再生時，水的用量需兼顧再生的能耗與再生后的DES 性能。在整個循環(huán)過程中，無有機溶劑的使用，但要求溶質(zhì)為疏水性組分，才能通過調(diào)節(jié)水量實現(xiàn)溶質(zhì)從DES 相的析出。

5 低共熔溶劑的理論發(fā)展

由于DES 的HBA 和HBD 種類繁多，目前文獻針對特定分離體系的DES 篩選主要借鑒離子液體的研究理論和研究方法。研究工作集中在兩個方面：一是基于液液相平衡實驗直接考察萃取效果；二是基于計算機輔助的熱力學(xué)性質(zhì)計算，預(yù)測DES的萃取效果。

利用相平衡實驗直接篩選DES 的選擇范圍尚具有局限性，沒有充分發(fā)揮通過改變DES 的結(jié)構(gòu)性質(zhì)來調(diào)控溶質(zhì)萃取效果的優(yōu)勢。在基于計算機輔助的熱力學(xué)性質(zhì)計算篩選DES 方面，研究者借鑒計算機輔助離子液體篩選的方法，利用Klamt發(fā)展的真實溶劑類導(dǎo)體屏蔽模型（COSMO-RS），用于DES 的理論篩選。有別于傳統(tǒng)熱力學(xué)模型，COSMO-RS 模型完全基于分子結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合量子化學(xué)和統(tǒng)計熱力學(xué)計算，對某些分離體系可以很好地預(yù)測含DES體系的相平衡和分相行為。

5.1 COSMO-RS模型用于DES凝固點預(yù)測

DES能否在操作溫度下形成液相，對于萃取操作窗口的選擇非常重要。Coutinho 課題組[67]將COSMO-RS 模型用于DES 凝固點的預(yù)測。通過調(diào)整COSMO-RS 模型的計算參數(shù)，得到了氯化膽堿與糖二元體系的固液相平衡圖，通過與實驗結(jié)果比較，證明了COSMO-RS 預(yù)測準(zhǔn)確性，但利用COSMO-RS 模型直接預(yù)測新DES 體系的凝固點尚有難度。因此，可在篩選過程中假定DES 為液相，進行熱力學(xué)性質(zhì)計算，篩選出萃取性能優(yōu)異的DES后，再通過實驗進行驗證。

5.2 COSMO-RS模型用于DES的篩選

在COSMO-RS模型中，可通過3種方法來描述DES：①Metafile 方 法；②Electroneutral 方 法；③Ion pair 方法。目前國內(nèi)外研究者大多采用與離子液體相似的描述方法，即Electroneutral方法，這也是最接近DES 實際表現(xiàn)的方法。當(dāng)DES 為液體時，HBD 與有機鹽鹵素陰離子形成了絡(luò)合物，降低了有機鹽陽離子與陰離子的相互作用，使得DES可以假定為由3種不同的組分構(gòu)成，即陽離子、陰離子和HBD[68]。

Marrucho 團隊[69]選取了3 種不同的銨鹽作為HBA，并以乙酰丙酸為HBD，將HBA 與HBD 在1∶2摩爾比下形成的DES用于甲苯和庚烷的分離，測定了含DES 和混合物體系的液液相平衡數(shù)據(jù)，并用COSMO-RS 模型對液液萃取體系進行描述，研究結(jié)果表明COSMO-RS 模型能定量地描述含DES 體系的相平衡及聯(lián)結(jié)線，均方根差值（RMSD）僅為0.5%～3.9%，同時COSMO-RS 模型也能很好地預(yù)測分配系數(shù)和選擇性的趨勢。其他研究團隊也利用COSMO-RS 模型計算了DES-芳烴-烷烴體系的液液相平衡，結(jié)果表明，對于苯和己烷分離體系[8,70-72]，COSMO-RS模型預(yù)測的RMSD值均低于10%[68]；而對于苯和環(huán)己烷體系，COSMO-RS模型預(yù)測的RMSD值為15.79%～42.98%[73]，說明苯和環(huán)己烷體系確實較難分離。

Gonzalez-Miquel等[74]利用COSMO-RS模型計算了甘油基DES 用于檸檬烯和芳樟醇分離體系的分配系數(shù)和選擇性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)HBD 含量增加時，分配系數(shù)提高但選擇性降低，COSMO-RS 計算結(jié)果與實驗值趨勢相一致。在此基礎(chǔ)上，他們以氯化膽堿分別和1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇和2,3-丁二醇形成的DES用于分離檸檬烯和芳樟醇混合物，測定了4 個體系的液液相平衡數(shù)據(jù)并和COSMO-RS 計算值進行對比，發(fā)現(xiàn)COSMO-RS 模型計算的RMSD 值小于4%，且能定性地預(yù)測溶質(zhì)的分配系數(shù)和選擇性[75]。

本文作者課題組[26]利用COSMO-RS 模型計算49 種DES 用于燃油脫硫的萃取效果，發(fā)現(xiàn)四丁基溴化磷基DES 分配系數(shù)高，而氯化膽堿基DES 選擇性高，這與實驗發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致。

以上工作均表明，COSMO-RS 理論可較好地預(yù)測含DES 體系的液液相平衡，從而為萃取分離體系的DES 篩選提供理論基礎(chǔ)。但需要注意的是，COSMO-RS 的篩選結(jié)果仍需要通過實驗進一步驗證。

5.3 其他熱力學(xué)模型用于DES分離體系

除COSMO-RS 模型外，研究者也采用其他熱力學(xué)模型如PC-SAFT 模型[76]和NRTL 模型[15]來描述DES 分離體系，通過對液液相平衡實驗數(shù)據(jù)擬合，得到相關(guān)的熱力學(xué)模型參數(shù)，再將其用于Aspen Plus 流程模擬中，實現(xiàn)萃取分離過程工藝參數(shù)的優(yōu)化。

6 低共熔溶劑的萃取機理

DES 的萃取分離效果，與DES 的結(jié)構(gòu)及組成、DES與溶質(zhì)分子之間的空間結(jié)構(gòu)以及相互作用有很大的關(guān)系。以DES 直接萃取芳香性化合物為例，從代表性芳香性組分和烷烴組分的屏蔽導(dǎo)體電荷密度分布圖（圖2）可以看出，它們主要分布在非極性區(qū)域，DES與芳香性組分的作用主要與芳烴和噻吩類硫化物中的π 電子作用有關(guān)，這解釋了HBA的鏈長越長，與芳香性化合物的范德華作用越強，分配系數(shù)越大、脫除率越高，但同時與烷烴組分的作用力也相應(yīng)增強，造成長鏈季銨鹽或季鹽DES的選擇性比膽堿類DES 的選擇性低。芳香性氮化物除在非極性區(qū)域分布外，在極性區(qū)域也有峰分布，這解釋了DES 同時脫芳、脫硫、脫氮時，氮化物的脫除率最高。

圖2 代表性芳香性化合物和烷烴的屏蔽導(dǎo)體電荷密度分布

對于DES 形成的雙水相萃取生物活性組分過程，Wang 課題組[41-43]利用紅外光譜、紫外-可見光譜、圓二色譜表征發(fā)現(xiàn)蛋白分子的構(gòu)象在萃取過程中未發(fā)生變化，利用動態(tài)光散射和透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)萃取后DES 相的平均粒徑增加，形成的DES和蛋白分子聚集體是分離過程的主要驅(qū)動力，但萃取機理仍缺乏分子尺度上的解釋。

對于在線生成DES 的締合萃取過程，紅外和核磁譜圖表明有機鹽與目標(biāo)溶質(zhì)之間的氫鍵作用力是分離的主要驅(qū)動力。目標(biāo)分子上官能團的性質(zhì)、位置、個數(shù)及有機鹽陽離子的結(jié)構(gòu)和鏈長對分離效率都有很大的影響。如柑橘精油中芳樟醇的分離[51]，當(dāng)季銨鹽陽離子鏈長較短時，陰陽離子間作用力大，芳樟醇無法破壞有機鹽的晶格形成液相的DES；陽離子鏈長越長，陰陽離子間的靜電相互作用越弱，使得陰離子更容易與氫鍵供體形成DES，有利于締合萃??；而當(dāng)季銨鹽陽離子鏈長過長時，形成的液相DES 又會溶于檸檬烯相形成均相，無法完成分離。利用COSMO-RS 模型計算的相互作用很好地解釋了這一現(xiàn)象，但仍缺乏分子尺度上的萃取機理解釋，如形成的DES 空間結(jié)構(gòu)和作用位點信息等。

基于密度泛函理論的量化計算和基于力場的分子動力學(xué)模擬方法，可從分子尺度闡明低共熔溶劑與溶質(zhì)的作用機理。Ren 團隊[77]結(jié)合分子動力學(xué)模擬和核磁表征手段研究了DES 吸收捕集氨氣的作用機理，發(fā)現(xiàn)DES 由于氫鍵作用形成了超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，豐富的氫鍵位點為氨分子的吸收提供了作用位點，且超分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了DES 在吸收過程的穩(wěn)定性。Banerjee 等利用分子動力學(xué)模擬方法先后研究了薄荷醇類DES 從廢水中分離低含量醇[38]和從油中分離喹啉的過程[78]，通過相互作用能分析發(fā)現(xiàn)DES 對溶質(zhì)組分的作用強度與分配系數(shù)和萃取選擇性相關(guān)，結(jié)合徑向分布函數(shù)、空間分布函數(shù)、氫鍵數(shù)目等結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析表明，DES 的HBA 比HBD 在萃取分離低含量醇和喹啉時更起關(guān)鍵作用。Yanuar等[79]利用分子動力學(xué)模擬結(jié)合紅外和核磁表征手段研究了DES 對脂肪酸的萃取機理，發(fā)現(xiàn)DES 對脂肪酸的氫鍵作用是萃取的主要作用，且作用強度與HBD和HBA的組成和比例有關(guān)。

通過實驗表征與分子模擬相結(jié)合的方法，不僅可深入理解DES的萃取機理，還可為理性指導(dǎo)DES的設(shè)計和篩選提供理論依據(jù)。

7 結(jié)語

DES 作為一種新型的綠色溶劑，具有制備簡單、廉價易得、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)性質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點，在強化萃取分離方面受到了研究者的廣泛關(guān)注。目前DES 通過直接萃取、在線生成DES 的締合萃取和利用DES 分解完成萃取的方式，在石油化工、煤化工、生物化工、環(huán)境檢測、天然產(chǎn)物等領(lǐng)域都展現(xiàn)了優(yōu)異的萃取性能，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。在未來研究中，基于DES 的萃取分離技術(shù)在DES理論、萃取機理、循環(huán)穩(wěn)定性、工藝經(jīng)濟性等方面仍有待進一步研究。

（1）在DES理論方面，DES的物性預(yù)測理論發(fā)展較慢，特別是DES 凝固點的預(yù)測，這對于DES直接萃取的操作窗口選擇以及締合萃取生成液相DES的有機鹽篩選都具有重要的意義；對某些極性分離體系或難分離體系，COSMO-RS 模型尚不能定量地預(yù)測體系的相平衡。為發(fā)揮DES 可設(shè)計的優(yōu)勢，需發(fā)展新理論或新方法來準(zhǔn)確預(yù)測DES 的物性和相平衡，利用基于機器學(xué)習(xí)的方法將是一條新的研究思路。

（2）對DES 用于雙水相萃取、在線生成DES的締合萃取、利用DES 分解完成萃取等體系，為更深入地理解DES 的萃取機理，可通過實驗表征與分子模擬相結(jié)合的方法進一步研究。

（3）發(fā)展經(jīng)濟高效的DES 萃取分離技術(shù)，不僅要考慮DES 的萃取性能，也要考慮DES 的回收利用，因此需開展長時間的萃取-再生循環(huán)實驗來驗證技術(shù)的可持續(xù)性和經(jīng)濟性。

（4）將DES 萃取技術(shù)與設(shè)備強化（微反應(yīng)器、離心萃取機）和外場強化（微波輔助萃取、超聲波輔助萃?。┑确椒ㄟM行耦合，強化萃取分離過程，可充分發(fā)揮過程強化的優(yōu)勢。