Nouveaux modèles basés sur la structure moléculaire pour l'estimation de la solubilité du CO2 dans différents chlorures de choline

Aug 07, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8495 (2023) Citer cet article

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Dans cette étude, la solubilité du CO2 dans différents solvants eutectiques profonds (DES) à base de chlorure de choline a été étudiée à l'aide de la relation quantitative structure-propriété (QSPR). À cet égard, l'effet de différentes structures du donneur de liaison hydrogène (HBD) dans des solvants eutectiques profonds (DES) à base de chlorure de choline (ChCl) a été étudié à différentes températures et différents rapports molaires de ChCl en tant qu'accepteur de liaison hydrogène (HBA) à HBD. 12 ensembles de données différents contenant 390 données sur la solubilité du CO2 ont été choisis dans la littérature pour le développement du modèle. Huit modèles prédictifs, contenant la pression et un descripteur structurel, ont été développés à température fixe (c'est-à-dire 293, 303, 313 ou 323 K) et le rapport molaire constant de ChCl sur HBD égal à 1:3 ou 1 : 4. De plus, deux modèles ont également été introduits, prenant en compte simultanément les effets de la pression, de la température et des structures HBD dans des rapports molaires égaux à 1:3 ou 1:4. Deux ensembles de données supplémentaires ont été utilisés uniquement pour la validation externe plus approfondie de ces deux modèles à de nouvelles températures, pressions et structures HBD. Il a été identifié que la solubilité du CO2 dépend du descripteur « EEig02d » du HBD. «EEig02d» est un descripteur moléculaire dérivé de la matrice de contiguïté des bords d'une molécule pondérée par les moments dipolaires. Ce descripteur est également lié au volume molaire de la structure. L'évaluation statistique des modèles proposés pour les ensembles de données de température non fixées et fixes a confirmé la validité des modèles développés.

Les émissions importantes de gaz à effet de serre comme le CO2 ont conduit à deux défis mondiaux importants, appelés « réchauffement climatique » et « changement climatique »1. Au cours de la dernière décennie, la présence de CO2 gazeux dans l'atmosphère a dépassé les limites acceptables (soit 350 ppm)2,3,4. Par conséquent, des efforts considérables sont nécessaires pour éliminer le CO2 de l’atmosphère. Il existe des technologies avancées pour réduire les émissions de CO2, comme le captage et le stockage du carbone (CSC). Les technologies CSC sont principalement classées en trois groupes : pré-combustion, post-combustion (PCC) et oxy-combustion (oxy-combustible)5. Parmi ces méthodes, la méthode PCC est la plus pratique et économique. Il reste encore à résoudre plusieurs défis économiques, technologiques, environnementaux et de sécurité tels que (i) améliorer l’efficacité du captage du CO2, (ii) réduire les coûts du procédé et (iii) garantir que le stockage du CO2 soit durable sur le plan environnemental6. L'application de solvants aqueux d'alcanolamine (par exemple MEA) dans la méthode PCC est conventionnelle en raison de sa réactivité élevée avec le CO2, de sa disponibilité, de son faible coût et de sa faible viscosité. Cependant, l’utilisation de tels types de solvants présente encore plusieurs défauts, notamment une perte élevée de solvant, une dégradation, une corrosion, une consommation d’énergie élevée pendant le processus de régénération, des problèmes environnementaux et des coûts de régénération élevés7,8,9. En conséquence, il est essentiel de développer de nouveaux solvants verts et bon marché pour les procédés de captage du CO2.

Ces dernières années, la recherche s'est de plus en plus concentrée sur le développement de nouveaux solvants tels que les liquides ioniques (IL) et les solvants eutectiques profonds (DES) pour remplacer les composés organiques volatils (COV) conventionnels dans différents processus chimiques et industriels10,11,12.

Comparés aux solvants conventionnels de capture du CO2 (c'est-à-dire les amines), les IL sont plus performants en raison de leurs propriétés intrinsèques attrayantes telles qu'une faible volatilité, une stabilité thermique élevée et une excellente solubilité du CO213,14. Il est bien connu que les IL sont des sorbants physiques efficaces du CO2, et que leurs spécifications peuvent être ajustées en sélectionnant les cations et anions appropriés. Malgré ces avantages, l’utilisation des IL pour le captage du CO2 dans des applications industrielles présente plusieurs inconvénients, notamment leur viscosité élevée, leurs processus de synthèse et de purification compliqués et coûteux, ainsi que leur coût élevé. Il existe une préoccupation croissante concernant la toxicité de plusieurs IL15. Il existe de nouvelles classes de solvants appelés DES, qui présentent des avantages supplémentaires : faible coût, faible toxicité, biodégradabilité, préparation facile et absence de purification16. Les DES peuvent être synthétisés en mélangeant un donneur de liaison hydrogène (HBD) (par exemple des acides carboxyliques, des amides, des amines, de l'alcool ou des halogénures métalliques) avec un accepteur de liaison hydrogène (HBA) (par exemple des sels de phosphonium ou d'ammonium quaternaire) dans les rapports molaires appropriés17. . La propriété la plus prometteuse des DES est la diversité des structures. En raison de leurs avantages inhérents, notamment une faible pression de vapeur, une stabilité thermique et chimique élevée, une ininflammabilité et une large plage de réglages, les DES ont attiré une attention considérable18,19. En particulier, les DES à base de choline ont fait l’objet de recherches approfondies. Les DES à base de choline étant principalement constitués de composés naturels ; ils n’ont donc aucune influence néfaste sur l’environnement. Parmi les sels de choline largement utilisés, le chlorure de choline (ChCl) est un matériau non toxique, biodégradable et peu coûteux, synthétisé à partir de produits ou de sous-produits de réserves fossiles (c'est-à-dire de pétrole) ou extrait de la biomasse19.