Extraction of aromatic compounds using ionic liquids and low transition temperature mixtures as separation agents

Résumé

The main objective of this thesis is the evaluation of the feasibility of two types of designer solvents, ionic liquids (ILs) and low transition temperature mixtures (LTTMs), as extraction agents to improve the efficiency and/or sustainability of the separation of aromatic hydrocarbons from their mixtures with aliphatic hydrocarbons. The research about the applicability of the ionic liquids as entrainers for the separation of aromatic/aliphatic mixtures was developed through the experimental determination of the liquid-liquid equilibria (LLE) of 66 binary systems {aromatic hydrocarbon (1) + ionic liquid (2)}, of 17 ternary systems {octane or decane or dodecane (1) + benzene (2) + ionic liquid (3)} and of 3 quaternary systems {octane (1) + decane (2) + benzene (3) + ionic liquid (4)} at several temperatures and at atmospheric pressure. Different ILs were selected in order to study of the role of the anion and cation of the ionic liquid on the phase behaviour. Besides, the influence of the structural characteristics of both the aromatic and aliphatic hydrocarbons and the effect of the temperature was also analysed. All the commented influences were discussed in terms of the solute distribution ratio and selectivity. Finally, the experimental LLE data were correlated using the NRTL thermodynamic model. In view of the results obtained, the ionic liquid [BMpyr][DCA] can be consider the best candidate among the investigated ILs as extraction solvents to replace sulfolane which is the most industrially traditional organic solvent in this kind of separation process. The study the potential use of LTTMs as solvents in the extraction of benzene from hexane was performed by the experimental determination of the LLE of 4 ternary systems {hexane (1) + benzene (2) + LTTM (3)} at several temperatures and at atmospheric pressure. The selection of the two LTTMs used in the experimental LLE determination was carried out after a preliminary study of the solubility of benzene and hexane in 60 different LTTMs. An analysis of the effect of the temperature and the influence of the role of the hydrogen bond acceptor (HBA) in the LTTM on the extraction process was carried out in terms of the calculation of the solute distribution ratio and selectivity from the experimental LLE data. Taking the results obtained, it can be drawn that the two LTTMs evaluated can be used as extraction solvents for the separation of benzene from hexane replacing the traditional organic solvents industrially used nowadays.En los últimos años la preocupación por reducir el impacto medioambiental de los procesos industriales ha dado lugar al desarrollo de nuevos esquemas de producción y compuestos más respetuosos con el medio ambiente. Un claro ejemplo es la separación de mezclas azeotrópicas o con puntos de ebullición muy próximos. Los componentes presentes en este tipo de mezclas son generalmente separados mediante técnicas complejas, como la destilación azeotrópica, o la destilación extractiva, las cuales llevan asociadas altos costes energéticos y el uso de disolventes tóxicos y perjudiciales para el medio ambiente. Siguiendo los principios de la química verde, el objetivo es poner a punto nuevas alternativas que contribuyan tanto a la disminución de la toxicidad como el gasto energético de los procesos actuales. En esta línea, el objetivo de esta tesis es evaluar la aplicación de nuevos disolventes, líquidos iónicos (LI) y mezclas de baja temperatura de transición (MBTT), como alternativa a los disolventes convencionales con el fin de mejorar la sostenibilidad y eficiencia de los procesos de separación de mezclas multicomponentes de interés en la industria química. En cuanto a los LI se evaluará su uso como alternativa a los disolventes orgánicos tradicionales en los procesos de extracción líquida de hidrocarburos aromáticos mezclados con otros compuestos de puntos de ebullición próximos, como los alcanos. Estos disolventes son considerados como una alternativa sostenible a los agentes de separación actualmente empleados en la industria, debido a sus interesantes propiedades, entre las que destacan: una presión de vapor despreciable, la cual evita problemas de olores y contaminación atmosférica, y una alta estabilidad química y térmica, que permite su aplicación en diferentes procesos químicos. Además, estos compuestos son conocidos como """"disolventes de diseño"""" ya que mediante la combinación de distintos aniones y cationes pueden sintetizarse LI con las propiedades físico-químicas que mejor se adapten al proceso químico que se pretenda optimizar. Las MBTT son otra opción interesante a estudiar, ya que debido a sus propiedades únicas como su baja volatilidad, baja toxicidad, y el carácter biodegradable que presentan, son considerados una clase de disolventes renovables totalmente análogos a los LI. Están formados por una mezcla de dos o tres componentes de origen natural, los cuales, estando en estado sólido por separado, al mezclarse forman un eutéctico con un punto de fusión más bajo que sus precursores. Al igual que los LI también son denominados disolventes de diseño ya que sus propiedades físico-químicas dependen de los precursores de partida. En la tesis se realiza un estudio preliminar de su aplicación en la separación de mezclas azeotrópicas.Nos últimos anos a preocupación por reducir o impacto medioambiental dos procesos industriais deu lugar ao desenvolvemento de novos esquemas de produción e compostos máis respetuosos co medio ambiente. Un claro exemplo é a separación de mesturas azeotrópicas ou con puntos de ebullición moi próximos. Os compoñentes presentes neste tipo de mesturas son generalmente separados mediante técnicas complexas, como a destilación azeotrópica, ou a destilación extractiva, as cales levan asociadas altos custos energéticos e o uso de disolventes tóxicos e perjudiciales para o medio ambiente. Seguindo os principios da química verde, o obxectivo é poñer a punto novas alternativas que contribúan tanto á disminución da toxicidade como o gasto energético dos procesos actuais. Nesta liña, o obxectivo desta tese é evaluar a aplicación de novos disolventes, líquidos iónicos (LI) e mesturas de baixa temperatura de transición (MBTT), como alternativa aos disolventes convencionais co fin de mellorar a sostenibilidad e eficiencia dos procesos de separación de mesturas multicomponentes de interese na industria química. En canto aos LI se evaluará o seu uso como alternativa aos disolventes orgánicos tradicionais nos procesos de extracción líquida de hidrocarburos aromáticos mesturados con outros compostos de puntos de ebullición próximos, como os alcanos. Estes disolventes son considerados como unha alternativa sostenible aos axentes de separación actualmente empregados na industria, debido ás súas interesantes propiedades, entre as que destacan: unha presión de vapor despreciable, a cal evita problemas de cheiros e contaminación atmosférica, e unha alta estabilidade química e térmica, que permite a súa aplicación en diferentes procesos químicos. Ademais, estes compostos son coñecidos como """"disolventes de deseño"""" xa que mediante a combinación de distintos aniones e cationes poden sintetizarse LI coas propiedades físico-químicas que mellor se adapten ao proceso químico que se pretenda optimizar. As MBTT son outra opción interesante a estudar, xa que debido ás súas propiedades únicas como a súa baixa volatilidad, baixa toxicidade, e o carácter biodegradable que presentan, son considerados unha clase de disolventes renovables totalmente análogos aos LI. Están formados por unha mestura de dúas ou tres compoñentes de orixe natural, os cales, estando en estado sólido por separado, ao mesturarse forman un eutéctico cun punto de fusión máis baixo que os seus precursores. Do mesmo xeito que os LI tamén son denominados disolventes de deseño xa que as súas propiedades físico-químicas dependen dos precursores de partida. Na tese realízase un estudo preliminar da súa aplicación na separación de mesturas azeotrópicas.