Aprimoramento do modelo F-SAC para aplicação na descrição de líquidos iônicos

Abstract

Os líquidos iônicos são uma das principais apostas para revolucionar a química no século XXI. Em geral, apresentam propriedades como baixa pressão de vapor, alta estabilidade térmica, e ampla existência liquida e outras que os tornam interessantes para aplicações como solventes para extração, meio reacional e como meio catalítico. Estas propriedades permitem a redução da geração de efluentes industriais, o que os torna potenciais solventes verdes. O interesse recente aumentou a quantidade de ânions e cátions disponíveis para formar líquidos iônicos. Essa maior diversidade por um lado aumenta o potencial de aplicação industrial dos líquidos iônicos, mas por outro aumenta a carga de trabalho para obter as propriedades necessárias para projeto industrial destas novas substâncias. Métodos preditivos podem ser utilizados para evitar a grande demanda de ensaios experimentais para obter essas propriedades. Entretanto modelos puramente preditivos, como o COSMO-RS, usualmente não obtém uma acurácia adequada para o uso industrial. Modelos que fazem uso de dados experimentais de misturas para estimar seus parâmetros, como o UNIFAC (Do) e o F-SAC, são predominantes na indústria. Esses modelos, que são modelos de coeficiente de atividade, permitem o cálculo de equilíbrio de fases e outras propriedades termodinâmicas. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento do modelo F-SAC para líquidos iônicos. Baseado em trabalhos anteriores, foram reestimados os parâmetros dos grupos de líquidos iônicos já existentes e adicionados novos grupos de cátions e ânions. Também foram geradas as primeiras curvas de equilíbrio líquido-vapor de misturas contendo líquidos iônicos com o F-SAC. De forma geral, para os 1-alquil-3-etil-imidazólios, foi obtido um R2 de 0.9794 e o valor de AAD de 0.1721 para 1514 misturas com o modelo F-SAC, superior ao encontrado para o UNIFAC (Do). Para o piridínio e o pirrolidínio o F-SAC obteve, respectivamente, um R2 de 0.9281 e 0.9837 e um valor de AAD de 0.2749 e 0.0962. Com este trabalho é possível formar 24 diferentes líquidos iônicos base com o uso de 33 parâmetros eletrostáticos estimados e 22 parâmetros geométricos no F-SAC. Para o mesmo objetivo o modelo UNIFAC (Do) necessitaria de 180 parâmetros binários e 26 parâmetros individuais – todos estimados. Ou seja, o F-SAC, nesse caso, precisou estimar apenas 27% do número de parâmetros que o UNIFAC (Do).

Ionic Liquids are one of the most promising fields to revolutionize chemistry in the 21st century. In general, they show properties like negligible vapor pressure, high thermal stability, wide liquid existence turn them interesting for applications as solvents for extraction, as reactional and catalytic media. These properties allow a reduction in industrial effluent production, making them eligible green solvents. Recent inteerest expanded the number of anions and cations available to compose Ionic. This great diversity enhances the industrial application potential of Ionic Liquids, while increases the workload needed for obtaining properties of these new substances needed for industrial project. Predictive methods can used to avoid the demand of experiments to obtain these properties. Purely predictive methods, as COSMO-RS, are usually not accurate enough for industrial use. Models use experimental data from mixtures for parameter estimation like UNIFAC (Do) and F-SAC, are predominant in the industry. Activity coefficient models like these allow the solving of phase equilibria and other thermodynamic properties. This work aimed at developing the F-SAC model for Ionic Liquids. Based on previous works, the already existing parameters for Ionic Liquid groups were reestimated and new cation and anion groups were added. In addition, the first vapor-liquid equilibrium curves for mixtures containing Ionic Liquids were created for the F-SAC model. For 1-alkyl-3-ethyl-imidazoliums, an overall R2 of 0.9794 and AAD of 0.1721 for 1514 mixtures was obtained, superior to UNIFAC (Do) values. For pyridinium and pyrrolidinium, F-SAC achieved, respectively, R2 of 0.9281 and 0.9837 and AAD of 0.2749 and 0.0962. With this work is possible to form 24 different base Ionic Liquids with 33 estimated electrostatic parameters and 22 geometric parameters with F-SAC. For the same purpose, UNIFAC (Do) would need 180 binary parameters and 23 individual parameters – all estimated. For this particular case the F-SAC model needed to estimate only 27% of the parameter number UNIFAC (Do) needed.