Ionic liquids for the extraction of n-butanol from aqueous solutions

The article describes the extraction of n-butanol from four-component aqueous solutions, also containing acetone and ethanol. All of these three chemicals are the main constituents of the so-called fermentation broth - a product of ABE (Acetone-Butanol-Ethanol) fermentation process. Nowadays, ABE fermentation, which is one of the oldest butanol production techniques, seems to be a viable alternative to petrochemical methods that have so far dominated the industry. Such considerations are driven by the steady depletion of fossil fuels, and thus, worldwide tendencies to use renewable resources instead, but also by the popularization of clean production and green chemistry principles. The physicochemical properties of biobutanol are very similar to that of gasoline and diesel fuel. Therefore, there exists a real potential for its widespread use as a fuel additive or even for a direct application in internal combustion engines. For that reason, the effective separation of biochemically derived butanol may have a great impact on fuel production technology, which is by far crude oil oriented. The main challenges of applying traditional solvents in liquid-liquid extraction are their toxicity and usually high volatility that prevents an economically justified partitioning of the extract components. Hence there arises a growing interest in non-volatile, thermally stable and water immiscible ionic liquids. Properties of these new 'designer solvents' have not been fully recognized yet, but the full range of their possible applications may appear as unlimited. Phase separation research has been made in five-component systems of water, acetone, butanol, ethanol and ionic liquid. Two different ionic liquids have been used: 1-hexyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [Hmim][PF6] and 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide [Bmim][Tf2N]. Experimental results confirm highly efficient separation of n-butanol from aqueous solutions when volumes of both liquid phases are approximately equal.

Przedmiotem artykułu jest proces ekstrakcji n-butanolu z czteroskładnikowych roztworów wodnych zawierających ponadto aceton i etanol. Wymienione substancje są głównymi składnikami tzw. brzeczki fermentacyjnej stanowiącej produkt fermentacji ABE (acetonowo-butanolowo-etanolowej). Fermentacja ABE, jako jedna z najstarszych metod uzyskiwania biobutanolu stosowanych na skalę przemysłową, jest obecnie rozważana jako alternatywa dla dominujących w przemyśle procesów petrochemicznych. Znacząco przyczynia się do tego perspektywa wyczerpania dostępnych zapasów paliw kopalnych, jak również podejmowane na szeroką skalę próby wdrażania zasad czystej produkcji i korzystania z odnawialnych źrodeł energii. Z uwagi na bardzo korzystne właściwości fizykochemiczne istnieją realne możliwości bezpośredniego zastosowania biobutanolu w silnikach spalinowych bądź wykorzystania go jako dodatku do oleju napędowego i benzyny. Skuteczna separacja biobutanolu pozyskiwanego za pomocą metod biochemicznych może mieć zatem ogromny wpływ na rozwój technologii produkcji paliw płynnych. Problemem przy stosowaniu klasycznych rozpuszczalników w ekstrakcji ciecz-ciecz jest często ich toksyczność, jak również wysoka lotność uniemożliwiająca opłacalny ekonomicznie rozdział ekstraktu. Dlatego też w kręgu zainteresowania pojawiają się niskolotne i stabilne termicznie ciecze jonowe nierozpuszczalne w roztworach wodnych. Właściwości cieczy jonowych jako substancji stosunkowo nowych nie są jeszcze dokładnie poznane, jednak z uwagi na szeroki wachlarz potencjalnych zastosowań budzą one coraz większe zainteresowanie, a możliwości ich “projektowania” mogą wydawać się nieograniczone. Przeprowadzono badania równowagi ekstrakcyjnej w układach zawierających wodę, aceton, butanol, etanol i ciecz jonową. Wykorzystano w tym celu dwie ciecze jonowe: heksafluorofosforan 1-heksylo-3metyloimidazolu oraz bis(trifluorometylosulfonylo)imid 1-butylo-3-metyloimidazolu. Wyniki eksperymentów potwierdzają wysoką skuteczność procesu ekstrakcji n-butanolu przy zbliżonych objętościach roztworu surowego i ekstrahenta.