27479

مدل‌سازي QSPR حلاليت كربن دي‌اكسيد با حلال‌هاي يوتكتيك عميق مختلف مبتني بر كولين كلرايد

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1401

29/6/1401

دكتر محمدامين ثباتي

دكتر عليرضا اكبرزاده

مهندسي شيمي

در مطالعه حاضر، رويكرد QSPR براي توسعه مدل‌هاي خطي براي پيش‌بيني حلاليت كربن دي‌اكسيد در حلال‌هاي يوتكتيك عميق (DES) مورد استفاده قرار گرفته است. DES از دو يا چند جزء شامل دهنده پيوند هيدروژني (HBD) و گيرنده پيوند هيدروژني (HBA) تشكيل مي‌شود. به دليل اثر پيوند هيدروژني قوي، نقطه ذوب DES كم‌تر از نقطه ذوب اجزاي منفرد آن است كه اين امر منجر به فراريت كم حلال و مناسب بودن آن جهت استفاده در فرايند جذب CO2 مي‌شود. هدف اصلي اين مطالعه، بررسي اثر ساختار مولكول‌هاي HBD بر حلاليت CO2 در DES هاي مبتني بر كولين كلرايد (ChCl) بوده است. در اين راستا، از بين داده‌هاي موجود در منابع مختلف، دوازده مجموعه داده با 390 داده آزمايشگاهي در مورد حلاليت CO2 در DES ها، براي توسعه مدل انتخاب شدند. در مرحله اول هشت مجموعه داده شامل چندين نوع HBD در فشارهاي مختلف، دماي ثابت (293، 303، 313 و 323 كلوين) و نسبت مولي HBA به HBD ثابت (1:3 و 1:4) براي توسعه مدل‌هاي دو متغيره (شامل ln(P) و توصيف‌كننده ساختاري) در نظر گرفته شد. در مرحله دوم، دو مدل كلي در نسبت‌هاي مولي HBA به HBD برابر با 1:3 و 1:4 با متغيرهاي ln(P)، دما و يك توصيف‌كننده ساختاري، براي پيش‌بيني مقادير حلاليت CO2 در هر دما و فشار دلخواه ساخته شد. قابليت اطمينان مدل‌هاي QSPR پيشنهادي با استفاده از تكنيك‌هاي اعتبارسنجي داخلي و خارجي اندازه‌گيري شد. در مدل‌هاي دما ثابت، بهترين مدل توسعه يافته مربوط به دماي K303 و نسبت مولي 1:3 بوده است كه 9834/0R2= و 6286/1AARD= دارد و در مدل‌هاي دما متغير، 977/0R2= و 8383/1AARD= و 9735/0R2= و 0557/2AARD= به ترتيب براي نسبت مولي 1:3 و 1:4 به دست آمد. قابل‌توجه است كه يك توصيفگر ساختاري يكسان (EEig02d) در همه مدل‌هاي توسعه‌يافته ظاهر مي‌شود. توصيفگر EEig02d با حجم آزاد مولي و گشتاور دو قطبي يك مولكول مرتبط است. بررسي مدل‌ها نشان داد كه مقدار حلاليت با افزايش مقادير توصيفگر EEig02d افزايش مي‌يابد زيرا بين جذب فيزيكي و حجم آزاد مولكول رابطه مستقيم وجود دارد. در گام سوم اعتبارسنجي خارجي مدل‌هاي دما متغير، با دو دسته داده جديد براي نسبت مولي 1:3 و 1:4 انجام شد. اين مطالعه، مدل‌هاي QSPR قابل‌اعتماد و ساده را براي پيش‌بيني حلاليت CO2 در DES ها ارائه مي‌كند كه مي‌تواند كه در غربالگري اوليه DES ها در فرآيندهاي جداسازي كربن دي‌اكسيد پسا احتراقي استفاده شود.

1401/09/16

QSPR modeling of CO2 solubility in different choline chloride-based deep eutectic solvents (DESs)

9/20/2023 12:00:00 AM

In the present study, the QSPR approach was employed to develop linear models to predict the solubility of carbon dioxide in Deep Eutectic Solvents (DES). DES consists of two or more components including hydrogen bond donor (HBD) and hydrogen bond acceptor (HBA). Due to the effect of strong hydrogen bonding, the melting point of DES is lower than the melting point of its individual components, which leads to low volatility of the solvent and its suitability for use in the CO2 absorption process. The main aim of this study was to investigate the effect of the molecular structure of HBDs on the solubility of CO2 in DESs based on choline chloride (ChCl). In this regard, among the data available in the literature, twelve datasets with 390 experimental data on CO2 solubility in DESs were selected for model development. In the first stage, eight data sets including several types of HBD at different pressures, fixed temperatures (293, 303, 313 and 323 K) and fixed molar ratios of HBA to HBD (1:3 and 1:4) were used to develop bivariate models (including ln(P) and structural descriptor) were considered. In the second step, two general models were constructed in molar ratios of HBA to HBD equal to 1:3 and 1:4 with variables including ln(P), temperature and a structural descriptor, to predict CO2 solubility values at any desired temperature and pressure. The reliability of the proposed QSPR models was measured using internal and external validation techniques. In constant temperature models, the best developed model was related to temperature equal to 303 K and molar ratio equal to 1:3, which has R2=0.9834 and AARD=1.6286, and in unfixed temperature models, R2=0.977 and AARD=1.8383 and R2=0.9735 and AARD=2.0557 were obtained for 1:3 and 1:4 molar ratio, respectively. It is noteworthy that the same structural descriptor (EEig02d) appears in all the developed models. The EEig02d descriptor is related to the free molar volume and dipole moment of a molecule. Examining the models showed that the solubility value increases with increasing values of the EEig02d descriptor because there is a direct relationship between the physical adsorption and the free volume of the molecule. In the third step, external validation of variable temperature models was performed with two new data sets for molar ratio 1:3 and 1:4. This study provided reliable and simple QSPR models to predict the solubility of CO2 in DESs, which can be used in the initial screening of DESs in post-combustion carbon dioxide separation processes.

حلال‌هاي يوتكتيك عميق؛ مدل QSPR؛ حلاليت CO2؛ اهداكننده پيوند هيدروژني (HBD) , مدل QSPR , حلاليت CO2 , اهداكننده پيوند هيدروژني (HBD)

Deep eutectic solvents , QSPR model , CO2 solubility , Hydrogen bond donor (HBD)

Farnoosh Dehkordi

Mohammadamin Sobati