さまざまな塩化コリンにおける CO2 溶解度を推定するための新しい分子構造ベースのモデル

Jul 23, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8495 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、さまざまな塩化コリンベースの深共晶溶媒 (DES) における CO2 の溶解度が、定量的構造特性関係 (QSPR) を使用して調査されました。 これに関して、塩化コリン (ChCl) ベースの深共晶溶媒 (DES) 中の水素結合ドナー (HBD) のさまざまな構造の影響が、さまざまな温度および水素結合アクセプター (HBA) としての ChCl とさまざまなモル比で研究されています。 HBD。 モデル開発のために、CO2 溶解度に関する 390 のデータを含む 12 の異なるデータセットが文献から選択されました。 圧力と 1 つの構造記述子を含む 8 つの予測モデルが、固定温度 (つまり 293、303、313、または 323 K)、および ChCl と HBD のモル比が 1:3 または 1:3 に等しい一定で開発されました。 4. さらに、圧力、温度、HBD 構造の影響をモル比 1:3 または 1:4 で同時に考慮した 2 つのモデルも導入されました。 2 つの追加のデータセットは、新しい温度、圧力、および HBD 構造におけるこれら 2 つのモデルのさらなる外部検証のみに使用されました。 CO2 溶解度は HBD の「EEig02d」記述子に依存することが確認されました。 「EEig02d」は、双極子モーメントによって重み付けされた分子のエッジ隣接行列から導出される分子記述子です。 この記述子は、構造のモル体積にも関連します。 非固定および固定温度データセットに対して提案されたモデルの統計的評価により、開発されたモデルの妥当性が確認されました。

CO2 などの温室効果ガスの大量排出は、「地球温暖化」と「気候変動」と呼ばれる 2 つの重大な世界的課題を引き起こしています1。 過去 10 年間、大気中の CO2 ガスの存在は許容限界 (つまり 350 ppm) を超えています 2、3、4。 したがって、大気中から CO2 ガスを除去するには多大な努力が必要です。 二酸化炭素回収・貯留 (CCS) など、CO2 排出量を削減するための先進技術がいくつかあります。 CCS 技術は主に、前燃焼、後燃焼 (PCC)、および酸素燃焼 (酸素燃料) の 3 つのグループに分類されます。 これらの方法のうち、ＰＣＣ方式がより実用的で経済的である。 (i) CO2 回収効率の向上、(ii) プロセスのコスト削減、(iii) CO2 貯留が環境的に持続可能であることの確保など、経済的、技術的、環境的、安全性に関するいくつかの課題を解決する必要がある6。 PCC 法で水性アルカノールアミン溶媒 (例: MEA) を適用することは、CO2 との反応性が高く、入手可能であり、低コストであり、粘度が低いため、一般的です。 しかし、このような種類の溶剤の使用には、溶剤の大量損失、劣化、腐食、再生プロセス中の高エネルギー消費、環境問題、高額な再生コストなど、依然としていくつかの欠点があります7、8、9。 その結果、CO2 回収プロセスには環境に優しく安価な新しい溶媒を開発することが不可欠です。

近年の研究では、さまざまな化学プロセスや工業プロセスにおいて従来の揮発性有機化合物（VOC）に代わるイオン液体（IL）や深共晶溶媒（DES）などの新規溶媒の開発にますます重点が置かれています10、11、12。

従来の CO2 捕捉溶媒 (アミンなど) と比較して、IL は低揮発性、高い熱安定性、優れた CO2 溶解度などの魅力的な固有特性により、より高い能力を備えています 13,14。 IL は CO2 の効率的な物理吸着剤であり、適切なカチオンとアニオンを選択することでその仕様を調整できることはよく知られています。 これらの利点にもかかわらず、産業用途で CO2 回収に IL を使用することには、粘度が高い、合成と精製のプロセスが複雑で高価である、コストが高いなどのいくつかの欠点があります。 いくつかの IL の毒性に関して懸念が高まっています 15。 DES として知られる新しい種類の溶媒があり、低コスト、低毒性、生分解性、調製の容易さ、精製の必要がないというさらなる利点があります 16。 DES は、水素結合供与体 (HBD) (カルボン酸、アミド、アミン、アルコール、金属ハロゲン化物など) と水素結合受容体 (HBA) (第 4 級ホスホニウム塩やアンモニウム塩など) を適切なモル比で混合することによって合成できます。 。 DES の最も有望な特性は、構造の多様性です。 DES は、低い蒸気圧、高い熱的および化学的安定性、不燃性、幅広い調整可能性などの固有の利点により、かなりの注目を集めています 18,19。 特に、コリンベースの DES は集中的に研究されています。 コリンベースのDESは主に天然化合物で構成されているため、 したがって、環境に有害な影響はありません。 広く使用されているコリン塩の中でも、塩化コリン (ChCl) は、化石埋蔵量 (つまり石油) からの生成物または副産物から合成されるか、バイオマスから抽出される、無毒で生分解性で安価な材料です19。