低共熔溶剂用于萃取分离的研究进展

成洪业，漆志文

（华东理工大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，上海200237）

低共熔溶剂（deep eutectic solvent，简称DES）作为一种新型的绿色溶剂，拥有与离子液体媲美的优良特性，且具有成本低廉和制备简单的优势，使得DES 正逐步替代传统有机溶剂，成为分离和反应领域的新热点[1-3]。在2018 年中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心和科睿唯安共同发布的《2018研究前沿》[4]和《2018研究前沿热度指数》[5]报告中，低共熔溶剂已成为化学与材料学科Top10热点之一，是绿色化学和绿色化工的发展趋势。

作为新一代的离子液体，DES的概念由Abbot[6]在2003 年首次提出。DES 通常由季铵盐、季盐等氢键受体（HBA）和酰胺、羧酸、醇等氢键供体（HBD）在一定比例下通过氢键结合形成的低熔点混合物。DES不仅具备离子液体的优点，还具有廉价、易制备、可降解、生物相容性好等特有性能，使得DES 在气体吸收、萃取分离、化学反应、电化学等领域表现出优异的性能。特别是在萃取分离领域，与传统有机萃取剂相比，DES除绿色环保性能外，可设计性是其在萃取应用中的另一大优势。通过改变DES 的HBA 和HBD 的种类和比例，来调控DES 的物性以适应萃取操作窗口，也可调控它对溶质组分的氢键形成能力和作用强度，来提高对溶质的识别能力，为DES 在萃取分离过程中的应用奠定了理论基础。

DES 在混合物萃取分离方面具有广泛的应用。按目前文献报道的DES 用于萃取分离的方式，主要分为三类（图1）。

图1 低共熔溶剂用于萃取分离过程的三种方式

（1）DES 直接用于萃取分离。先将HBA 和HBD 混合形成DES，将形成的DES 作为萃取剂，通过液液萃取的方式将目标物从待分离混合物中选择性萃取。

（2）在线形成DES 的缔合萃取分离。目标物具有氢键供体或氢键受体的特性，以氢键受体或氢键供体为萃取剂，在萃取过程中通过与目标物产生氢键作用在线形成DES，同时完成对目标物的选择性萃取分离。

（3）利用DES 的分解完成萃取。DES 的HBA和HBD 分别具有亲/疏水特性，在萃取过程中，疏水性组分起萃取作用，而亲水性组分起分散作用、促进疏水性组分与溶质组分在水相中的充分接触，有利于溶质由水相向有机相的转移。在萃取过程中，HBA 和HBD 组分间的作用力被破坏，导致DES 的分解。此方法常用于DES 用量少的微萃取过程。

本文综述了近年来国内外有关DES 在萃取分离方面的研究报道，介绍了DES 直接用于液液萃取、在线生成DES 的缔合萃取和通过DES 分解完成萃取的应用，阐述了DES 的回收方法与稳定性，探讨了DES 萃取分离体系的理论发展和萃取机理，最后展望了DES 用于萃取分离过程的工业化前景和面临的挑战。

1 DES直接用于萃取分离

DES直接作为萃取剂用于混合物分离过程是最常用的方法。将HBA 和HBD 混合形成DES，利用DES与目标物之间的相互作用，将目标物从待分离混合物中选择性萃取到DES 相中，实现混合物的分离。按分离体系的性质，可以分为从油相中萃取溶质、从水相中萃取溶质和双水相萃取溶质，涉及石油化工、煤化工、生物化工、环境检测、天然产物等领域。

1.1 从油相中萃取分离芳香性化合物

在石油化工、煤化工领域，将芳烃与非芳组分进行分离具有重要的工业背景。芳香性化合物包含芳烃、噻吩类硫化物和芳香性氮化物等。其中，芳烃是重要的化工原料，但芳烃与烷烃的沸点相近，难以通过精馏的方式实现芳烃-烷烃混合物的分离，工业上常用环丁砜等有机溶剂对芳烃进行萃取分离，而有机溶剂存在易挥发、有毒、易燃等缺点，研究者正在寻找可替代的绿色溶剂；燃料油脱硫对于提高燃油品质和达到国家污染物排放标准至关重要，而噻吩类硫化物较难通过常规的加氢脱硫方法进行有效脱除，由于DES 与噻吩类硫化物的作用力强，选择合适的DES 可实现燃料油的深度脱硫；同样，将燃料油中的氮化物脱除，不仅为了满足降低氮氧化物排放的环保要求，也为了抑制氮化物对后续加氢脱硫过程的影响。

1.1.1 DES用于芳烃-烷烃混合物的分离

DES作为萃取剂用于分离芳烃-非芳烃混合物，近年来已有许多相关报道[7-14]。目前已报道的工作以轻质芳烃（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）的萃取为主，研究者制备了一系列的DES 用于轻质芳烃的萃取分离，考察了HBA/HBD 比例、DES/模型油比例、芳烃初始浓度及萃取温度等因素对选择性和分配系数的影响，发现DES 对轻质芳烃具有很好的萃取效果，且萃取效果与DES 的结构有关。如Wu课题组[12]用DES 萃取甲苯时，发现当HBA 的阴离子较大、阳离子的链长较短和中心原子较小时，选择合适链长和官能团的HBD，形成的DES 将极大提高对甲苯的选择性，其中胆碱类和四乙基铵盐为HBA 形成的DES 对甲苯的选择性比环丁砜（选择性33.6和分配系数0.39）高，但分配系数低，而四丁基溴化磷为HBA 形成的DES 的分配系数比环丁砜高，但选择性低。

除了从油相中萃取轻质芳烃外，将柴油中的重芳烃和非芳烃组分分离也具有重要的工业意义，特别是将催化裂化柴油中的芳烃和非芳烃进行分离后，将非芳组分用作清洁柴油的调和组分，将芳烃组分用作加氢裂化制轻质芳烃的原料，可实现催化裂化柴油效益最大化。本文作者课题组[15]以四丁基溴化磷为HBA 和羧酸类HBD 形成的DES 从模拟轻质循环柴油中萃取四氢萘，以分配系数、选择性、综合性能指标及DES 在油相中的溶解度为评价指标，考察了HBD种类、HBA/HBD 摩尔比对萃取效果的影响，发现四丁基溴化磷与乙酰丙酸在1∶4摩尔比下形成的DES 具有很好的萃取效果；1H NMR 谱图表明DES 的结构稳定，在重复利用多次后DES 结构和组成不变。在实验基础上，利用Aspen Plus 设计了连续萃取分离工艺，优化了萃取塔和反萃塔的工艺参数，模拟得到了纯度为98%、回收率为99.4%的四氢萘和纯度为98.7%、回收率为95.4%的十二烷。

1.1.2 DES用于燃料油脱硫

DES 作为萃取剂用于燃油脱硫过程也是可行的[16-23]。Li 等[16]将氯化胆碱、四甲基氯化铵和四丁基氯化铵作为HBA，将乙二醇、丙三醇、四甘醇、聚乙二醇、丙酸、丙二酸作为HBD，制备了一系列DES，用于模型燃料油的萃取脱硫。研究结果表明，HBA 和HBD 的结构对脱硫率的影响较大，链长较长的四丁基氯化铵基DES 比氯化胆碱基DES的脱硫率高，当以聚乙二醇为HBD 时，DES 的单级脱硫率为82.83%，经过5级萃取脱硫，模型油中的硫含量可降低至8.5mg/L。在此基础上，Li 等[17]加入金属氯化物形成的DES 的单级脱硫率可达89.53%，金属氯化物FeCl3与二苯并噻吩的π 电子强相互作用促进了DES的高效萃取脱硫。Zhu课题组[24-25]分别制备了以1-甲基咪唑与丙酸形成DES和三乙胺与丙酸、乙酸、甲酸形成的DES，从模拟燃料油中萃取二苯并噻吩，研究结果表明DES 与二苯并噻吩存在CH-π和氢键作用，使得DES对二苯并噻吩具有较高的分配系数；当向模型油中加入质量分数15%的对二甲苯和15%的环己烯时，DES的萃取脱硫率略有降低，相比氧化萃取脱硫效果的大幅降低，DES直接萃取脱硫的方式更具优势。Li等[21]考察了DES 对不同噻吩类硫化物的萃取效果，利用四丁基溴化铵和甲酸形成的DES，在优化条件下，从燃料油中萃取噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩的单级脱硫率分别为72%、81.75%和80.47%。

在前人工作基础上，本文作者课题组[26]使用COSMO-RS 模型从49 种DES 中筛选用于燃料油脱硫的萃取剂，发现四丁基溴化磷基的DES 分配系数高，而氯化胆碱基的DES 选择性高。由四丁基溴化磷和二甲基甲酰胺形成的DES 具有较高的脱硫率（82.1%），经过3级萃取，可将模型油硫含量从500mg/L降低至10mg/L以下。在此基础上，利用二苯并噻吩与四丁基溴化磷的吸引作用和与水的排斥作用，通过调节萃取体系中的水分含量即可完成萃取和反萃取过程的循环。通过测量四丁基溴化磷-水体系的固液相平衡以及二苯并噻吩在四丁基溴化磷-水混合物中的溶解度，确定了萃取与反萃取的操作窗口。在四丁基溴化磷与水摩尔比1∶2时，DES 对二苯并噻吩的单级脱硫率可达70.4%，重复利用4次，脱硫率无明显下降，且经过4级萃取，模型油硫含量从500mg/kg 降低至10mg/kg 以下，实现了油品的深度脱硫[27]。

1.1.3 DES用于燃料油脱氮

燃料油中氮化物的脱除也受到了研究者的广泛关注。Ren 课题组[28-29]首次提出了基于DES 的燃料油脱氮方法，发现DES 对碱性和非碱性氮化物不仅具有很高的脱除率，也具有很高的选择性；他们制备了8种DES用于氮化物的脱除，发现DES的结构和组成对脱氮效率和机理都会产生影响，特别要注意控制HBD 的酸性，若HBD 酸性弱，则DES 对碱性氮化物的作用力弱，若HBD 酸性太强，则DES会与碱性氮化物发生化学反应，导致DES再生困难。氯化胆碱与苯乙酸在1∶2 摩尔比下形成的DES 表现出高效的脱氮性能，在308K和1∶1剂油比条件下，吡啶的脱除率为99.2%，咔唑的脱除率为98.2%，比有机溶剂和离子液体的脱氮率都要高。Liu 等[30]利用四乙基季铵盐和丙二酸形成的DES 脱除模拟柴油中多环氮化物喹啉和吲哚，在1∶7 剂油比条件下，喹啉和吲哚的脱除率分别为97.7%和90.1%。利用石油醚洗涤将DES 再生，重复使用4 次后，喹啉和吲哚的脱除率仍保持为86.4%和78.9%。

1.1.4 DES用于油中芳香性化合物的同时脱除

DES对油相中的芳烃、硫化物、氮化物都有较好的萃取效果。研究者也开始用DES 同时脱除油相中的多种芳香性化合物。Marrucho团队[31]利用四丁基溴化磷与环丁砜形成的DES 从模拟燃油中同时脱除硫化物和氮化物，其中硫化物为噻吩和二苯并噻吩，氮化物为吡啶和咔唑，结果表明DES 具有很高的脱硫和脱氮效率，噻吩、二苯并噻吩、吡啶和咔唑的脱除效率分别为63%、86%、100%和100%，实现了燃料油的同时脱硫脱氮。Liu 课题组[32]用氯化胆碱基DES 对燃料油同时脱硫和脱氮，对于碱性的喹啉，利用氯化胆碱和扁桃酸形成的DES，采用酸碱萃取方法达到了99.2%的脱氮率；对于近中性的咔唑和二苯并噻吩，咔唑的脱除率达94.9%，而二苯并噻吩因其极性低而不易脱除，加入H2O2后，用氯化胆碱和苯磺酸形成的DES，脱硫率可达99.1%，DES 对真实油也有较高的脱硫率（67.7%）和脱氮率（63.7%）。Rogošić 等[33]利用氯化胆碱和乙二醇/甘油形成的DES 为萃取剂，对模拟和真实汽油同时脱芳、脱硫和脱氮，发现相比芳烃和硫化物，DES对氮化物的脱除效果最好。

综上所述，DES对油中芳香性化合物均具有很好的萃取效果，有工业化开发的潜力和运用前景。同时，研究者也发现目前利用DES 对油中芳香性化合物的萃取分离研究，主要采用模型油为研究对象，以关键组分形成的模型油将有助于快速选择DES 和理解萃取过程，但对于组分复杂的真实油，DES的分离效果会有所降低，利用真实油进一步验证DES 的萃取效果，对于DES 的工业化应用是非常有必要的。此外，虽然DES 对芳香性化合物的萃取率高，脱芳、脱硫、脱氮效果好，但燃料油对溶剂的污染非常敏感和苛刻，特别是在新国家标准下，在选择DES 做萃取剂时应特别注意，需加入DES在燃料油或烷烃中的溶解度作为评价指标。

1.2 从水相中萃取溶质

分离体系的性质不同，所要求的DES 的性质也不相同。从油相中萃取溶质，常采用亲水性DES，而从水溶液中萃取溶质，则常采用疏水性DES[34]，以便于分相达到液液萃取的目的。利用疏水性DES 从水相中萃取溶质的应用涉及生物化工、冶金、环境检测等领域[35-36]，如从生物发酵液中提取低碳醇、短链脂肪酸等有机物，从水溶液中萃取染料分子、金属离子、双酚A、杀虫剂等。

Kroon 课题组[37]以多种季铵盐为HBA 和癸酸为HBD，在HBA∶HBD 摩尔比1∶2 条件下，制备了一系列疏水性DES 用于萃取水相中的乙酸、丙酸和丁酸，研究结果表明季铵盐的链长越长，DES对短链脂肪酸的萃取率越高，同时DES 相的水含量以及盐析量也相应降低。Banerjee 团队[38-39]以薄荷醇为HBA 和以癸酸和月桂酸分别为HBD，将HBA∶HBD 摩尔比2∶1 条件下形成的DES 从水溶液中萃取乙醇、正丙醇和正丁醇，通过比较分配系数和选择性，发现DES 对正丁醇的萃取分离效果最好。

为保证从水相中萃取溶质时DES 的结构稳定性，疏水性DES 的HBA 和HBD 也均为疏水性组分。常用的HBA 为长链的季铵盐和季盐、薄荷醇和百里酚，HBD 为长链羧酸、长链醇等。尽管如此，疏水性DES 也是HBA 和HBD 通过氢键作用形成，从水相中萃取溶质时，总会与水分子发生相互作用，由于水形成氢键的能力更强，可以不同程度地破坏DES组分间的氢键[40]，使得疏水性DES较容易破坏，对于某些分离体系，在萃取前后DES相的HBA和HBD组分比例会发生变化。

1.3 DES用于双水相萃取

DES除了从油相和水相中萃取溶质外，也可用于双水相萃取蛋白质、核酸、植物多酚等生物活性组分。因为许多生物活性组分有较强的亲水性，无法用有机溶剂萃取，且蛋白质在有机溶剂相中易变性失活，通过DES 构建双水相体系，利用生物活性组分在两个水相中溶解度的差异可实现选择性的分离。

Wang课题组[41-43]分别制备了基于氯化胆碱和甜菜碱的DES，用于形成双水相体系萃取蛋白质。考察了盐浓度、DES用量、分离时间、蛋白量等实验条件的影响，在最优条件下，氯化胆碱-甘油形成的DES 对牛血清白蛋白的萃取率达到了98.16%，甜菜碱-尿素形成的DES 对蛋白的萃取率达到了99.82%。通过表征手段发现蛋白质的构象在萃取过程中没有发生变化，DES和蛋白质簇集物的形成是萃取过程的主要驱动力。这些工作为基于DES的双水相体系用于萃取分离蛋白质提供了新思路。

DES作为新型绿色溶剂，在双水相萃取体系中具有应用的潜力。但仍面临一些挑战，如DES 和目标分子的回收利用是其工业化应用的制约因素，因此，在选择DES 用于双水相体系时，即要考虑DES的萃取效果，也要考虑回收再利用效果；DES对萃取分离生物大分子的机理，可通过紫外光谱、红外光谱、圆二色谱、动态激光散射和透射电镜等方法表征，但仍需分子尺度的模拟方法进一步研究。

综上所述，DES直接萃取的应用非常广泛，通过改变HBA 和HBD 的种类和比例来调变DES 的结构和性质，这使得DES 有更宽的选择范围以适应新的萃取分离体系。除上述典型应用外，DES直接萃取还可用于醇和烷烃共沸物的分离[44]、天然产物中提取生物活性组分[45]等，再借助超声波[46]和微波[47]等外场强化设备辅助萃取，将大幅提高DES的萃取率。

2 在线生成DES的缔合萃取应用

对于含有相似结构分子的分离体系的研究，需要找到更好的方法对目标物进行高选择性分离。基于在线形成DES 的缔合萃取方法，在分离领域中得到了应用，并取得了良好的效果。该方法中目标物具备氢键供体或氢键受体能力，缔合萃取剂则具有氢键受体或氢键供体能力，在萃取过程中，缔合萃取剂与目标物在产生氢键作用形成DES 的同时，完成了对目标物的选择性萃取分离。目前已报道的利用在线生成DES 的分离体系包括从植物油脱臭馏出物中萃取天然维生素E，从柑橘精油中萃取分离萜类化合物，从油相中萃取酚类物质和吲哚，以及从水相中提取非甾体类抗炎药（双氯芬酸、氟比洛芬、酮洛芬、甲芬那酸）和增白剂52等。

2.1 从植物油脱臭馏出物中萃取天然维生素E

天然维生素E的主要来源是植物油精炼过程的脱臭馏出物。除维生素E外，植物油炼制脱臭馏出物中还含有大量结构相似的组分，如脂肪酸甲酯等。由于混合物组分的分子量较大、结构复杂，同时具有极性的亲水基团和疏水的碳骨架片段，导致混合物组分沸点高且性质相似，常规分离单元操作困难。目标物维生素E相比待分离体系中的其他组分有微弱的氢键供体性质，使得它可以与一些氢键受体有机盐通过氢键作用形成DES。

本文作者课题组[48]提出一种在线生成DES的缔合萃取分离技术以提取维生素E，即通过萃取过程中特定有机盐与维生素E分子之间形成DES而将它分离回收的方法。首先从理论分析了三种常用有机氯盐与代表性维生素E 组分α-生育酚在线形成DES 的能力，通过实验筛选了四丁基氯化铵。随后，测定了不同四丁基氯化铵/α-生育酚比例下的DES 凝固点，发现HBA 与HBD 比例对凝固点有很大的影响，在此基础上确定了缔合萃取过程操作窗口，结合两步反萃取法，对模型和实际甲酯化脱臭馏出物进行萃取实验验证，分别获得纯度为99.6%的α-生育酚和纯度大于79.2%的维生素E产品。同时，研究也表明四丁基氯化铵有着较低的损耗，较好的再生利用性和稳定性。在缔合萃取的基础上，为进一步提高维生素E的选择性，加入有机溶剂形成双相系统[49]，有机溶剂通过萃取脂肪酸甲酯以降低其在DES 相中的浓度，从而提高维生素E 的选择性。

2.2 柑橘精油中萃取分离萜类化合物

萜类化合物作为萜烯的含氧衍生物，是自然界中化学结构最为丰富的一类化合物，应用于食品、日化、医药、农业等领域[50]。萜类化合物广泛存在于植物精油中，但其含量普遍较低，为保证精油的品质，常将萜类化合物与萜烯烃进行分离。

本文作者课题组[51]以柠檬烯和芳樟醇的混合物为模拟柑橘精油，考察了8种季铵盐与芳樟醇在线生成DES 的可行性，结果表明，当季铵盐阳离子链长较短时，无法形成液相的DES，而当季铵盐阳离子链长过长时，形成的液相DES 又会溶于柠檬烯相，无法完成分离。四丁基氯化铵既能与芳樟醇在线形成液相的DES，又不溶于柠檬烯相，是理想的缔合萃取剂，可将芳樟醇选择性地从混合物中高效地萃取出来，实现芳樟醇与柠檬烯的分离，结合两步反萃取法，可获得纯度为98.7%的芳樟醇产品。

2.3 油相中酚类物质的萃取分离

酚类物质是一种重要的有机化工原料，是聚碳酸酯、环氧树脂、尼龙及各种药物的前体，主要存在于煤液化油、煤焦油和石油中。传统的分离方法是通过碱液和硫酸溶液从油相中分离酚类物质，此过程会消耗大量的强碱和强酸，并产生大量的高浓度含酚废水。

Wu 课题组[52]发现氯化胆碱和苯酚形成的DES不溶于油相，这为从油相中萃取分离苯酚提供了一种新的思路。他们利用不同的季铵盐对模型油中的苯酚进行缔合萃取[53-54]，考察了季铵盐阴阳离子结构对萃取效果的影响，发现四乙基氯化铵对苯酚的萃取效果最好，在季铵盐与苯酚摩尔比为0.8∶1条件下，能除去99.9%的苯酚，形成DES的主要原因是由于苯酚的羟基与有机盐氯离子的氢键作用。

Wang 课题组[55]利用氯化胆碱及其衍生物[N1,1,nC2OH]Cl（n=1,4,6,8）从模型油中分离酚类物质。为深入理解酚类物质的化学结构与分离效率的构效关系，他们考察了26 种含有不同官能团取代基的酚类物质，发现只有16 种酚类物质能从甲苯中萃取分离，萃取率从28.1%到94.7%。酚类物质与胆碱类盐的氢键作用力是分离的主要驱动力，酚类物质上官能团的性质、位置、个数以及胆碱类盐阳离子结构对酚类物质的分离效率都有很大的影响。阳离子链长越长，阴阳离子间的静电相互作用越弱，使得阴离子Cl-更容易与酚类物质形成DES，因而分离效率越高。但阳离子链长过长，如[N1,1,8C2OH]Cl，形成的DES 会与甲苯互溶，导致无法分相。胆碱类盐可通过乙醚洗涤进行回收，经过5 次循环后，1H NMR 谱图显示胆碱类盐的结构稳定。

2.4 油相中吲哚的萃取分离

Wu 课题组[58]发现季铵盐能与吲哚形成DES，并基于该现象利用季铵盐将洗涤油中的吲哚通过在线生成DES 的方法萃取出来。三乙基甲基氯化铵、四乙基氯化铵和四丙基氯化铵三种季铵盐对吲哚的最大分配系数分别为29.5、40.8和91.9，萃取效果远高于其他有机溶剂的表现。四丙基氯化铵对吲哚表现出最好的萃取效果，可以将96.7%的吲哚萃取分离。

2.5 在线形成疏水性DES

Aroso 等[59]发现薄荷醇与非甾体抗炎药能够形成DES。在此基础上，Shishov等[60]利用疏水性的薄荷醇通过羟基基团与酮洛芬和双氯芬酸的羧基基团之间的氢键作用形成DES，在线将非甾体抗炎药从水相中萃取出来。此微萃取过程可在1min 内达到平衡，萃取率在93%以上。Shishov 等[61]又利用薄荷醇通过在线生成DES 的方法实现了从牛奶中萃取分离非甾体抗炎药（双氯芬酸、氟比洛芬、酮洛芬和甲芬那酸）。

Fan 课题组[62]利用在线形成疏水性DES 的方法从水相中萃取荧光增白剂52，所用的萃取剂为对羟基苯甲酸酯，考察了对羟基苯甲酸酯的结构、溶剂的pH、系统温度、萃取剂用量及溶质初始含量对萃取效率的影响，发现4-羟基苯甲酸2-乙基己酯可在室温下将痕量的荧光增白剂52（0.05μg/L）萃取出来，通过FTIR和1H NMR分析发现荧光增白剂52和4-羟基苯甲酸2-乙基己酯形成了强氢键作用，这是DES 形成的主要原因。此方法已成功从实际食物和与食物接触有关的材料中萃取荧光增白剂52，且都表现出很高的萃取率。

通过不同的缔合萃取分离体系可以看出，当有机盐阳离子较小时，阴阳离子间作用力大，氢键供体无法破坏有机盐的晶格，从而无法形成液相DES；当有机盐阳离子链长越长，阴阳离子间的静电相互作用越弱，使得阴离子更容易与氢键供体形成DES，有利于缔合萃取；但当有机盐阳离子链长过长时，形成的DES 与混合物互溶，无法完成萃取。因此，缔合萃取过程不仅与有机盐的阴阳离子作用大小有关，也与氢键供体与有机盐的氢键作用大小有关。

综上所述，利用在线形成DES 的萃取方法具有萃取率高、选择性高的优势。但相较于DES 直接萃取方法，缔合萃取过程对氢键供体或氢键受体的要求更高，不仅要求能与目标物形成DES，还要使形成的DES 不溶于混合物，导致缔合萃取剂的选择范围较窄。

3 利用DES分解完成萃取分离

Shishov 等[63]发现HBA 氯化胆碱和HBD 苯酚形成的DES 在水相中会发生分解，这是因为氯化胆碱和苯酚分别为亲水性和疏水性组分。HBA 和HBD 如在萃取过程中起不同的作用，其中疏水性的HBD 作为萃取剂与目标物作用，亲水性的HBA作为分散剂，将有利于疏水性HBD 在水相中的分散及与目标物的接触，促进目标物从水相向有机相传质。Shishov等[64]首次将DES分解的萃取方法用于化学分析过程，完成分析物的分离和预浓缩。他们以四丁基溴化铵为HBA和以长链醇（戊醇、庚醇、辛醇、癸醇和十二醇）为HBD 形成的DES，用于17β-雌二醇的微萃取过程，萃取率为95%±5%，且具有较好的重复性。溶质的萃取率与HBD 的结构有关，当HBD 在水中溶解度过高时，溶质在水中的溶解度也增加，萃取率降低；当HBD 在水中溶解度过低时，HBA 在水中的分散率降低，溶质萃取率降低。拥有合适链长的庚醇形成的DES，对溶质萃取率和可重复性最高。

在此基础上，Shishov等[65]利用疏水性的薄荷醇与亲水性的甲酸形成的DES，采用DES分解的萃取方法，从牛肝脏中萃取酮洛芬和双氯芬酸。疏水性薄荷醇主要起萃取作用，但它的熔点是40℃，无法在室温下用于萃取，与甲酸形成的DES 为液相。在萃取过程中，甲酸溶于水相，与水相中碳酸钠反应生成CO2扰动了萃取体系，促进了疏水性薄荷醇在水相中的分散，从而强化了萃取过程。

通过上述研究可以看出，利用DES 分解完成萃取分离是一次性的，DES分解后无法再回用。因此，此方法常用于DES 用量较少的液液微萃取过程，即分析检测物的分离和提浓过程。

4 低共熔溶剂的回收利用

DES 的回收利用对于其工业化应用十分重要，这不仅是经济性方面的需求，也是环保方面的要求。在萃取过程中，DES的结构稳定有利于其回收再利用。

4.1 DES在萃取过程中的稳定性

DES 是由HBA 和HBD 通过氢键作用形成的低共熔混合物。与离子液体阴阳离子间的作用相比，HBA 和HBD 形成的氢键作用相对较弱，使得DES在萃取过程中的稳定性与分离体系的性质密切相关。

Coutinho 团队[66]以氯化胆碱为HBA和以羧酸类化合物/尿素为HBD 形成的DES 作为双水相系统的形成组分，研究了DES 在双水相系统中的稳定性。发现在双水相萃取过程中DES 形成的氢键网络被水分子破坏，组分被溶剂化，使得HBD 和HBA 在两相中的组成并没有按照形成DES 的化学计量比分配，对DES进行回收再利用将变得困难。

本文作者课题组[15]利用四丁基溴化磷与乙酰丙酸形成的DES，萃取分离四氢萘和十二烷混合物。DES 经过4 次循环使用后，与新鲜DES 在1H NMR谱图中峰位置、形状及相对强度都一致，说明DES的组成和比例不变，结构保持稳定。

因此，当分离体系为非极性或弱极性混合物时，混合物组分与DES 的作用不足以破坏DES 的结构，使得DES 在萃取过程中保持稳定；而当分离体系为极性混合物时，如水相体系，DES与形成氢键能力更强的水分子作用，使得HBA 和HBD 的组成比例在两相中的分配会有所变化。

4.2 DES的再生方法

DES具有和离子液体类似的饱和蒸气压低、热稳定性高的优点。对于轻组分溶质，如轻质芳烃、噻吩、吡啶等，利用真空蒸馏的方式即可将DES与溶质进行分离，完成DES 的回收再利用。对于重组分溶质，如二苯并噻吩、生物活性组分等，无法通过蒸馏或精馏的方式将DES 与溶质分离，需引入反萃取剂或抗溶剂对DES 进行回收。有机溶剂如乙醚、甲基叔丁基醚等作为反萃取剂将溶质从DES相中萃取出来后，再通过蒸馏的方式对有机溶剂进行回收和利用。有机溶剂在反萃取过程的加入，将降低整个萃取过程的绿色性，同时也使萃取过程的步骤变得复杂。

本文作者课题组[27]以水为抗溶剂，通过水与DES的强相互作用，破坏DES与溶质的作用，使溶质能够从DES 相中重新分离出来；同时水也作为氢键供体，与有机盐氢键受体混合形成液体DES，在少量水时使溶质萃取到DES 相，在大量水时使溶质析出DES 相，通过调节系统水分含量即可完成萃取与反萃取的循环过程。再生时，水的用量需兼顾再生的能耗与再生后的DES 性能。在整个循环过程中，无有机溶剂的使用，但要求溶质为疏水性组分，才能通过调节水量实现溶质从DES 相的析出。

5 低共熔溶剂的理论发展

由于DES 的HBA 和HBD 种类繁多，目前文献针对特定分离体系的DES 筛选主要借鉴离子液体的研究理论和研究方法。研究工作集中在两个方面：一是基于液液相平衡实验直接考察萃取效果；二是基于计算机辅助的热力学性质计算，预测DES的萃取效果。

利用相平衡实验直接筛选DES 的选择范围尚具有局限性，没有充分发挥通过改变DES 的结构性质来调控溶质萃取效果的优势。在基于计算机辅助的热力学性质计算筛选DES 方面，研究者借鉴计算机辅助离子液体筛选的方法，利用Klamt发展的真实溶剂类导体屏蔽模型（COSMO-RS），用于DES 的理论筛选。有别于传统热力学模型，COSMO-RS 模型完全基于分子结构信息，结合量子化学和统计热力学计算，对某些分离体系可以很好地预测含DES体系的相平衡和分相行为。

5.1 COSMO-RS模型用于DES凝固点预测

DES能否在操作温度下形成液相，对于萃取操作窗口的选择非常重要。Coutinho 课题组[67]将COSMO-RS 模型用于DES 凝固点的预测。通过调整COSMO-RS 模型的计算参数，得到了氯化胆碱与糖二元体系的固液相平衡图，通过与实验结果比较，证明了COSMO-RS 预测准确性，但利用COSMO-RS 模型直接预测新DES 体系的凝固点尚有难度。因此，可在筛选过程中假定DES 为液相，进行热力学性质计算，筛选出萃取性能优异的DES后，再通过实验进行验证。

5.2 COSMO-RS模型用于DES的筛选

在COSMO-RS模型中，可通过3种方法来描述DES：①Metafile 方 法；②Electroneutral 方 法；③Ion pair 方法。目前国内外研究者大多采用与离子液体相似的描述方法，即Electroneutral方法，这也是最接近DES 实际表现的方法。当DES 为液体时，HBD 与有机盐卤素阴离子形成了络合物，降低了有机盐阳离子与阴离子的相互作用，使得DES可以假定为由3种不同的组分构成，即阳离子、阴离子和HBD[68]。

Marrucho 团队[69]选取了3 种不同的铵盐作为HBA，并以乙酰丙酸为HBD，将HBA 与HBD 在1∶2摩尔比下形成的DES用于甲苯和庚烷的分离，测定了含DES 和混合物体系的液液相平衡数据，并用COSMO-RS 模型对液液萃取体系进行描述，研究结果表明COSMO-RS 模型能定量地描述含DES 体系的相平衡及联结线，均方根差值（RMSD）仅为0.5%～3.9%，同时COSMO-RS 模型也能很好地预测分配系数和选择性的趋势。其他研究团队也利用COSMO-RS 模型计算了DES-芳烃-烷烃体系的液液相平衡，结果表明，对于苯和己烷分离体系[8,70-72]，COSMO-RS模型预测的RMSD值均低于10%[68]；而对于苯和环己烷体系，COSMO-RS模型预测的RMSD值为15.79%～42.98%[73]，说明苯和环己烷体系确实较难分离。

Gonzalez-Miquel等[74]利用COSMO-RS模型计算了甘油基DES 用于柠檬烯和芳樟醇分离体系的分配系数和选择性，发现当HBD 含量增加时，分配系数提高但选择性降低，COSMO-RS 计算结果与实验值趋势相一致。在此基础上，他们以氯化胆碱分别和1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇和2,3-丁二醇形成的DES用于分离柠檬烯和芳樟醇混合物，测定了4 个体系的液液相平衡数据并和COSMO-RS 计算值进行对比，发现COSMO-RS 模型计算的RMSD 值小于4%，且能定性地预测溶质的分配系数和选择性[75]。

本文作者课题组[26]利用COSMO-RS 模型计算49 种DES 用于燃油脱硫的萃取效果，发现四丁基溴化磷基DES 分配系数高，而氯化胆碱基DES 选择性高，这与实验发现的规律一致。

以上工作均表明，COSMO-RS 理论可较好地预测含DES 体系的液液相平衡，从而为萃取分离体系的DES 筛选提供理论基础。但需要注意的是，COSMO-RS 的筛选结果仍需要通过实验进一步验证。

5.3 其他热力学模型用于DES分离体系

除COSMO-RS 模型外，研究者也采用其他热力学模型如PC-SAFT 模型[76]和NRTL 模型[15]来描述DES 分离体系，通过对液液相平衡实验数据拟合，得到相关的热力学模型参数，再将其用于Aspen Plus 流程模拟中，实现萃取分离过程工艺参数的优化。

6 低共熔溶剂的萃取机理

DES 的萃取分离效果，与DES 的结构及组成、DES与溶质分子之间的空间结构以及相互作用有很大的关系。以DES 直接萃取芳香性化合物为例，从代表性芳香性组分和烷烃组分的屏蔽导体电荷密度分布图（图2）可以看出，它们主要分布在非极性区域，DES与芳香性组分的作用主要与芳烃和噻吩类硫化物中的π 电子作用有关，这解释了HBA的链长越长，与芳香性化合物的范德华作用越强，分配系数越大、脱除率越高，但同时与烷烃组分的作用力也相应增强，造成长链季铵盐或季盐DES的选择性比胆碱类DES 的选择性低。芳香性氮化物除在非极性区域分布外，在极性区域也有峰分布，这解释了DES 同时脱芳、脱硫、脱氮时，氮化物的脱除率最高。

图2 代表性芳香性化合物和烷烃的屏蔽导体电荷密度分布

对于DES 形成的双水相萃取生物活性组分过程，Wang 课题组[41-43]利用红外光谱、紫外-可见光谱、圆二色谱表征发现蛋白分子的构象在萃取过程中未发生变化，利用动态光散射和透射电子显微镜发现萃取后DES 相的平均粒径增加，形成的DES和蛋白分子聚集体是分离过程的主要驱动力，但萃取机理仍缺乏分子尺度上的解释。

对于在线生成DES 的缔合萃取过程，红外和核磁谱图表明有机盐与目标溶质之间的氢键作用力是分离的主要驱动力。目标分子上官能团的性质、位置、个数及有机盐阳离子的结构和链长对分离效率都有很大的影响。如柑橘精油中芳樟醇的分离[51]，当季铵盐阳离子链长较短时，阴阳离子间作用力大，芳樟醇无法破坏有机盐的晶格形成液相的DES；阳离子链长越长，阴阳离子间的静电相互作用越弱，使得阴离子更容易与氢键供体形成DES，有利于缔合萃取；而当季铵盐阳离子链长过长时，形成的液相DES 又会溶于柠檬烯相形成均相，无法完成分离。利用COSMO-RS 模型计算的相互作用很好地解释了这一现象，但仍缺乏分子尺度上的萃取机理解释，如形成的DES 空间结构和作用位点信息等。

基于密度泛函理论的量化计算和基于力场的分子动力学模拟方法，可从分子尺度阐明低共熔溶剂与溶质的作用机理。Ren 团队[77]结合分子动力学模拟和核磁表征手段研究了DES 吸收捕集氨气的作用机理，发现DES 由于氢键作用形成了超分子网络结构，丰富的氢键位点为氨分子的吸收提供了作用位点，且超分子氢键网络结构保证了DES 在吸收过程的稳定性。Banerjee 等利用分子动力学模拟方法先后研究了薄荷醇类DES 从废水中分离低含量醇[38]和从油中分离喹啉的过程[78]，通过相互作用能分析发现DES 对溶质组分的作用强度与分配系数和萃取选择性相关，结合径向分布函数、空间分布函数、氢键数目等结构性质分析表明，DES 的HBA 比HBD 在萃取分离低含量醇和喹啉时更起关键作用。Yanuar等[79]利用分子动力学模拟结合红外和核磁表征手段研究了DES 对脂肪酸的萃取机理，发现DES 对脂肪酸的氢键作用是萃取的主要作用，且作用强度与HBD和HBA的组成和比例有关。

通过实验表征与分子模拟相结合的方法，不仅可深入理解DES的萃取机理，还可为理性指导DES的设计和筛选提供理论依据。

7 结语

DES 作为一种新型的绿色溶剂，具有制备简单、廉价易得、环境友好、结构性质可调等优点，在强化萃取分离方面受到了研究者的广泛关注。目前DES 通过直接萃取、在线生成DES 的缔合萃取和利用DES 分解完成萃取的方式，在石油化工、煤化工、生物化工、环境检测、天然产物等领域都展现了优异的萃取性能，具有广阔的工业应用前景。在未来研究中，基于DES 的萃取分离技术在DES理论、萃取机理、循环稳定性、工艺经济性等方面仍有待进一步研究。

（1）在DES理论方面，DES的物性预测理论发展较慢，特别是DES 凝固点的预测，这对于DES直接萃取的操作窗口选择以及缔合萃取生成液相DES的有机盐筛选都具有重要的意义；对某些极性分离体系或难分离体系，COSMO-RS 模型尚不能定量地预测体系的相平衡。为发挥DES 可设计的优势，需发展新理论或新方法来准确预测DES 的物性和相平衡，利用基于机器学习的方法将是一条新的研究思路。

（2）对DES 用于双水相萃取、在线生成DES的缔合萃取、利用DES 分解完成萃取等体系，为更深入地理解DES 的萃取机理，可通过实验表征与分子模拟相结合的方法进一步研究。

（3）发展经济高效的DES 萃取分离技术，不仅要考虑DES 的萃取性能，也要考虑DES 的回收利用，因此需开展长时间的萃取-再生循环实验来验证技术的可持续性和经济性。

（4）将DES 萃取技术与设备强化（微反应器、离心萃取机）和外场强化（微波辅助萃取、超声波辅助萃取）等方法进行耦合，强化萃取分离过程，可充分发挥过程强化的优势。