Nuovi modelli basati sulla struttura molecolare per la stima della solubilità della CO2 in diversi cloruro di colina

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8495 (2023) Citare questo articolo

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In questo studio, la solubilità della CO2 in diversi solventi eutettici profondi (DES) a base di cloruro di colina è stata studiata utilizzando la relazione quantitativa struttura-proprietà (QSPR). A questo proposito, l'effetto di diverse strutture del donatore di legame idrogeno (HBD) nei solventi eutettici profondi (DES) a base di cloruro di colina (ChCl) è stato studiato a diverse temperature e diversi rapporti molari di ChCl come accettore di legame idrogeno (HBA) a HBD. Per lo sviluppo del modello sono stati scelti dalla letteratura 12 diversi set di dati con 390 dati sulla solubilità della CO2. Otto modelli predittivi, che contengono la pressione e un descrittore strutturale, sono stati sviluppati alla temperatura fissa (cioè 293, 303, 313 o 323 K) e al rapporto molare costante tra ChCl e HBD pari a 1:3 o 1: 4. Inoltre, sono stati introdotti anche due modelli che consideravano gli effetti della pressione, della temperatura e delle strutture HBD, contemporaneamente nei rapporti molari pari a 1:3 o 1:4. Due set di dati aggiuntivi sono stati utilizzati solo per l'ulteriore convalida esterna di questi due modelli a nuove temperature, pressioni e strutture HBD. È stato identificato che la solubilità della CO2 dipende dal descrittore "EEig02d" dell'HBD. "EEig02d" è un descrittore molecolare derivato dalla matrice di adiacenza del bordo di una molecola che è ponderata dai momenti di dipolo. Questo descrittore è anche correlato al volume molare della struttura. La valutazione statistica dei modelli proposti per i set di dati di temperatura non fissati e fissi ha confermato la validità dei modelli sviluppati.

La significativa emissione di gas serra come la CO2 ha portato a due importanti sfide globali, chiamate "riscaldamento globale" e "cambiamento climatico"1. Nell'ultimo decennio la presenza di gas CO2 nell'atmosfera ha superato i limiti accettabili (ovvero 350 ppm)2,3,4. Pertanto, è necessario un grande sforzo per eliminare il gas CO2 dall’atmosfera. Esistono alcune tecnologie avanzate per ridurre le emissioni di CO2, come la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS). Le tecnologie CCS sono principalmente classificate in tre gruppi: pre-combustione, post-combustione (PCC) e ossicombustione (ossicombustione)5. Tra questi metodi, il metodo PCC è il più pratico ed economico. È ancora necessario risolvere diverse sfide economiche, tecnologiche, ambientali e di sicurezza come (i) migliorare l’efficienza della cattura della CO2, (ii) ridurre i costi del processo e (iii) garantire che lo stoccaggio della CO2 sia sostenibile dal punto di vista ambientale6. L'applicazione di solventi acquosi alcanolaminici (ad esempio MEA) nel metodo PCC è convenzionale a causa della sua elevata reattività con CO2, disponibilità, basso costo e bassa viscosità. Tuttavia, esistono ancora diversi difetti nell’utilizzo di questo tipo di solventi, tra cui elevata perdita di solvente, degradazione, corrosione, elevato consumo di energia durante il processo di rigenerazione, problemi ambientali ed elevati costi di rigenerazione7,8,9. Di conseguenza, è essenziale sviluppare nuovi solventi ecologici ed economici per i processi di cattura della CO2.

Negli ultimi anni la ricerca si è concentrata sempre più sullo sviluppo di nuovi solventi come i liquidi ionici (IL) e i solventi eutettici profondi (DES) per sostituire i composti organici volatili (COV) convenzionali in diversi processi chimici e industriali10,11,12.

Rispetto ai solventi convenzionali per la cattura della CO2 (ad esempio, le ammine), gli IL sono più efficaci grazie alle loro interessanti proprietà intrinseche come la bassa volatilità, l'elevata stabilità termica e l'eccellente solubilità della CO213,14. È noto che gli IL sono efficienti assorbenti fisici della CO2 e che le loro specifiche possono essere regolate selezionando i cationi e gli anioni appropriati. Nonostante questi vantaggi, l’utilizzo degli IL per la cattura della CO2 in applicazioni industriali presenta diversi inconvenienti, tra cui l’elevata viscosità, i processi di sintesi e purificazione complicati e costosi e i costi elevati. Esiste una crescente preoccupazione riguardo alla tossicità di diversi IL15. Esistono nuove classi di solventi noti come DES, che hanno ulteriori vantaggi di basso costo, bassa tossicità, biodegradabilità, facile preparazione e nessuna necessità di purificazione16. I DES possono essere sintetizzati mescolando un donatore di legame idrogeno (HBD) (ad esempio acidi carbossilici, ammidi, ammine, alcol o alogenuri metallici) con un accettore di legame idrogeno (HBA) (ad esempio fosfonio quaternario o sali di ammonio) nei rapporti molari appropriati17 . La proprietà più promettente dei DES è la diversità delle strutture. A causa dei loro vantaggi intrinseci, tra cui la bassa pressione di vapore, l'elevata stabilità termica e chimica, la non infiammabilità e un'ampia gamma di regolazioni, i DES hanno guadagnato notevole attenzione18,19. In particolare, i DES a base di colina sono stati studiati intensamente. Poiché i DES a base di colina sono costituiti principalmente da composti naturali; pertanto, non hanno influenze ambientali dannose. Tra i sali di colina ampiamente utilizzati, il cloruro di colina (ChCl) è un materiale non tossico, biodegradabile ed economico, sintetizzato da prodotti o sottoprodotti di riserve fossili (ad esempio petrolio) o estratto dalla biomassa19.