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苯、甲苯和二甲苯这些轻质芳烃化学品（BTX）广泛存在于工业环境中，是毒性最大的一类挥发性有机化合物（VOCs）之一。BTX流失到土壤和地下水中会对人类健康和生态系统造成严重危害。环境中BTX的持续累积使得减少它们的排放变得更加迫切。目前，可利用的BTX处理技术有焚烧法、生物降解法、溶剂吸收法、催化氧化法和吸附法等。其中，溶剂吸收法因其操作简单，能在不破坏BTX结构的情况下捕获BTX而得到广泛应用。
在BTX吸附中，作为传统有机溶剂的理想替代品，离子液体（IL）发挥着越来越重要的作用。尽管已经测量了大量热力学数据以进一步评估基于IL的BTX吸收过程，这些数据仍处于实验室规模，能耗、环境和经济方面的综合过程评估仍然缺乏。此外，以IL为基础的BTX去除工艺的工业化还需要进行可持续和系统的评估，以减少在实际应用场景中可能出现故障的潜在风险。因此，为了降低工业化阶段的风险，对吸附工艺进行系统的分析和评价，综合考虑吸附材料的热集成、生命周期环境影响和经济效益，势在必行。
图1.BTX处理方法
（图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
北京工业大学的代成娜教授课题组比较了以三甘醇（TEG）吸收剂为方案和以[EMIM][Tf2N] IL为方案的BTX吸收过程，构建了基于[EMIM][Tf2N]IL和TEG的BTX吸收流程。通过能量评估，可以得到工艺能耗和物料平衡，并通过热集成来评估两种工艺的节能潜力；通过进行环境评估，可以计算每个阶段工艺的生命周期影响（LCI），并回答哪个工艺更环保（IL或TEG）的问题；通过进行经济评价，可以得到两种工艺的总成本（CAPEX），并回答在这两种工艺的总成本（固定成本或运行成本）中哪个部分占主要的问题。
图2.BTX处理流程图
（图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
能量分析表明，与[EMIM][Tf2N]方案相比，基于TEG的BTX吸收工艺需要更高的能量消耗（加热和冷却能量），后者分别是前者的1.08倍和0.74倍。关于[EMIM][Tf2N]方案，研究人员进行了热集成以进一步评估其节能潜力。结果表明，该方案中热集成后可节省5%和3.4%的冷热公用设施。经济分析表明，对于[EMIM][Tf2N]和TEG情景，TAC分别为48.41和61.11百万美元/年，前者比后者低26.3%。因此，基于[EMIM][Tf2N]的BTX吸收工艺在经济性能方面具有显著的工业化潜力。环境分析表明，对于捕获1 kg的BTX，无吸收剂回收的[EMIM][Tf2N]情景的生命周期影响在所有类别中都高于TEG情景，最大的差异在于AP类别。然而，在考虑IL的回收时，[EMIM][Tf2N]方案在所有生命周期类别中都比TEG表现得更好。
图3.处理流程中的热衡算
（图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
图4.不同吸附流程的LCI对比
（图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng.）
综上所述，与传统的三甘醇相比，以[EMIM][Tf2N] IL为吸收剂的BTX吸收工艺在能源和经济方面都是一项具有竞争力的技术。
原文链接：
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