本文是一篇发表于《Chemengineering》期刊2025年第9卷的学术综述论文，标题为“Ternary Choline Chloride-Based Deep Eutectic Solvents: A Review”。通讯作者为Marc Mulamba Tshibangu，所属机构为南非曼戈苏图理工大学化学工程系，其他合著者Abdulalim Ibrahim、Christophe Coquelet和Fabienne Espitalier分别来自法国阿尔比矿业大学Rapsodee中心和尼日利亚联邦大学Wukari分校。论文旨在系统性地回顾和评估基于氯化胆碱的三元低共熔溶剂（Ternary Deep Eutectic Solvents, TDEs）的理化性质及其在可持续工业过程中的潜在应用，并与二元低共熔溶剂（Binary Deep Eutectic Solvents, BDEs）进行比较，指出其优势、挑战及未来发展方向。
论文的核心观点在于论证并阐明三元氯化胆碱基低共熔溶剂（TDEs）相较于其二元对应物（BDEs），在多项关键物理化学性质（如更低的粘度、更低的熔点、更高的热稳定性以及增强的溶解能力）上具有显著优势。这种优势源于第三组分的引入，它能够有效调节和优化溶剂内部的氢键网络及整体溶剂环境，从而赋予TDEs更高的可调性和更优异的性能。这种性能提升使TDEs在多个前沿领域展现出巨大应用潜力，包括生物质转化、二氧化碳捕获、重油升级、制冷气体分离以及作为有机反应的溶剂/催化剂等，有望推动化学工业向更高效、更环保、更可持续的方向发展。本文将详细阐述论文围绕这一核心论点展开的各个主要观点及其支撑论据。
主要观点一：TDEs的理化性质普遍优于BDEs，且具有更高的可设计性与灵活性。 论文通过大量的文献数据对比，详细论证了TDEs在关键物理化学性质上的优越性。首先，在熔点方面，TDEs能够实现更大幅度的熔点降低。例如，向二元氯化胆碱-尿素（ChCl:U, 1:2）DES中添加水形成三元体系（ChCl:U:W），其熔点可以从285 K进一步降至225 K。这是因为水作为第三组分，作为氢键“破坏者”有效干扰了原有密集的氢键网络，抑制了结晶过程。另一个例子是，将甘油（GL）加入到氯化胆碱-柠檬酸（ChCl:CA）二元体系中，熔点可从303 K降至241 K，极大地拓宽了溶剂的操作温度范围，使其更适用于低温生化过程。
其次，在粘度方面，TDEs通常表现出比BDEs更低的粘度，这直接有利于传质过程。数据显示，ChCl:马来酸（Mal）二元体系（1:1）在298 K时的粘度约为510.55 cp，而加入丁二醇（BTD）形成的三元体系ChCl:Mal:BTD（1:1:1）在相同条件下粘度大幅降至215.32 cp。类似地，ChCl:果糖（Fru）二元体系粘度极高（约11312 cp），但加入水形成ChCl:Fru:W（5:2:5）三元体系后，粘度显著下降至280.8 cp。这种粘度降低主要归因于第三组分对原有强氢键相互作用的削弱和“稀释”，提高了分子的流动性。
再者，在密度、pH和电导率方面，TDEs也展现出可调和优化的特性。论文指出，第三组分的分子量、极性和氢键能力会影响最终混合物的密度。例如，加入甘油（密度较高）可能会增加TDEs的整体密度。pH值可以通过选择酸性、中性或碱性的第三组分进行调控，例如ChCl:马来酸:丙二醇（1:1:3）体系的pH约为2.21，使其适用于需要酸性环境的催化反应。电导率通常与粘度呈负相关，较低的粘度有利于离子迁移，从而提高电导率，但也会受到第三组分分子大小和极性的影响。这些系统性的比较表明，通过精心选择和配比第三组分，可以像“定制”一样为特定应用设计出具有最优性质组合的TDEs。
主要观点二：TDEs在生物质转化领域展现出卓越的预处理和组分分离能力。 论文强调，TDEs在生物质精炼，特别是木质纤维素原料的预处理和组分分离中，是一种高效、绿色的溶剂。与传统的苛刻化学处理或BDEs相比，TDEs能够更有效地破坏木质素的复杂结构，并选择性地将其溶解，同时更好地保留纤维素，从而提高后续酶解糖化的效率。例如，有研究利用由氯化胆碱、乙二醇和对甲苯磺酸（p-Toluenesulfonic acid, PTSA）组成的TDEs对木质纤维素生物质进行预处理，即使在较高的固含量和较低的酶用量下，也能实现高效的木聚糖和木质素去除，从而获得高浓度的糖化液，为生物燃料和生物基化学品的生产铺平道路。
具体数据支撑包括：一项研究使用微波辅助的TDEs预处理甘蔗渣，在30分钟内实现了84%的脱木质素率和99%的酶解消化率。另一项研究使用ChCl:草酸:乙二醇（ChCl:OA:EG, 1:1:2）TDEs处理杜仲籽壳，成功去除了79.7%的半纤维素和65.6%的木质素，同时保留了84%的纤维素，并高效分离出高品质的杜仲胶和增值木质素。此外，TDEs也被用于从植物中提取酚类等生物活性化合物，例如ChCl:Mal:U（2:1:2）三元体系提取艾叶中酚酸的效率（22.80 mg/g）甚至略高于传统有机溶剂（22.41 mg/g）。这些应用实例证明了TDEs在实现生物质全组分、高值化利用方面的巨大潜力，符合循环生物经济的原则。
主要观点三：TDEs在二氧化碳捕获方面具有高容量和可调选择性，是极具前景的绿色吸收剂。 针对全球关注的碳捕集、利用与封存（CCUS）技术，论文指出TDEs因其对CO2的高溶解度、低挥发性、可设计性和环境友好性而成为传统胺类吸收剂的有力替代或补充。第三组分的引入可以显著改善BDEs捕集CO2过程中的高粘度问题，并增强与CO2分子的相互作用。例如，在氯化胆碱-甘油（ChCl:GL）二元DES中加入强有机碱1,5-二氮杂二环[4.3.0]壬-5-烯（DBN）形成的三元体系（ChCl:GL:DBN，摩尔比1:2:6），表现出优异的CO2捕获性能，捕获容量可达103 mg CO2/g 吸附剂，并且易于再生。其机理在于碱性组分能与CO2发生可逆的化学作用。
另一项研究表明，在氯化胆碱-尿素（ChCl:U）二元DES水溶液中掺入单乙醇胺（MEA），可以进一步提升CO2的吸收容量。此外，将L-精氨酸（L-arginine）引入ChCl:GL DES中，可以显著降低CO2的亨利常数（从1.1835 MPa降至0.4435 MPa），表明CO2溶解度得到增强。研究还探索了将TDEs（如ChCl:U:聚乙烯亚胺PEI）负载到介孔硅胶上制成固体复合吸附剂，其在298 K和1 bar下的CO2吸附容量达到51 mg/g，比纯硅胶载体提高了60%。这些例子表明，通过设计TDEs的组成，可以优化其对CO2的亲和力、吸收动力学和再生能耗，为开发下一代高效、低成本的碳捕集材料提供了新思路。
主要观点四：TDEs在石油工业的重油升级和脱硫领域具有独特的应用价值。 论文探讨了TDEs在解决重油（高粘度、高密度、高硫含量）加工难题中的应用。传统加氢脱硫（HDS）过程条件苛刻、成本高昂。TDEs提供了一种基于萃取或萃取催化氧化的温和脱硫新途径。例如，一种由氯化胆碱、聚乙二醇（PEG）和硼酸（BA）组成的TDEs（ChCl/PEG/BA，摩尔比1:1:1.5），在氧化脱硫（ODS）过程中对模型油实现了96.4%的脱硫效率。硼酸起到了催化作用，而PEG则通过增强氢键相互作用提高了萃取能力。这种“萃取-催化氧化”协同机制为深度脱硫提供了高效且环保的方案。
除了脱硫，TDEs也用于提高重油采收率（EOR）。研究表明，氯化胆碱基DES能够改变油藏岩石的润湿性（从亲油变为亲水）并降低油水界面张力，从而将残余重油的采收率提高12%-30%。虽然目前关于TDEs用于重油升级的直接研究还相对较少，但论文基于其优于BDEs的理化性质（如更低的粘度、更强的溶解能力）合理推测，TDEs在溶解和萃取沥青质、降低重油粘度、改善其流动性方面将表现出更大的潜力，值得进一步探索。
主要观点五：TDEs在制冷气体分离等新兴领域展现出作为绿色分离介质的潜力。 论文特别指出，TDEs在分离和回收商用制冷剂混合物（如近共沸的R-410a，包含R-32和R-125）方面是一种创新的绿色解决方案。相比于能耗高的蒸馏法或选择性受限的吸附法，基于TDEs的吸收法具有可调的选择性、较低的能量需求和更好的环境相容性。例如，模拟研究表明，ChCl:EG:PTSA（1:3:1）TDEs对R-410a中的R-32表现出高选择性，可实现90%以上的R-32回收率且纯度很高。其原理在于TDEs中丰富的氢键位点能与特定制冷剂分子（如极性较强的R-32）产生差异化的相互作用。
此外，类似于分离HFC混合物的原理，TDEs在支撑液膜（SLM）中用于CO2/N2分离也表现出良好的渗透性和选择性，这为其在混合制冷气体（如HFC与空气）分离中的应用提供了借鉴。将TDEs集成到蒸馏工艺中形成混合工艺，可以利用TDEs进行预分离以破坏共沸，从而大幅降低后续蒸馏塔的能耗。这体现了TDEs在推动化工分离过程绿色化、节能化方面的应用价值。
主要观点六：尽管优势显著，但TDEs的规模化应用仍面临一系列挑战，需要未来研究重点攻关。 论文在肯定TDEs价值的同时，也客观指出了其当前面临的挑战，为未来研究方向提供了清晰的指引。首要挑战是缺乏精准的预测模型。目前TDEs的设计很大程度上仍依赖“试错法”，缺乏能够根据分子结构和组成预测其相行为、粘度、溶解度等性质的理论工具或定量构效关系（QSAR/QSPR）模型。其次，长期稳定性问题亟待研究。在某些高温、氧化或含水条件下，TDEs可能发生组分分解、水解或相分离，影响其循环使用性能和过程稳定性。第三，全面的毒性与环境足迹评估仍需加强。尽管多数组分被认为是“绿色”的，但新型第三组分及其混合物的生态毒理和生物降解性数据仍然有限。第四，规模化合成与回收工艺尚不成熟。如何实现TDEs的低成本、低能耗大规模生产，以及如何高效地从反应混合物或萃取相中回收并纯化TDEs以实现循环利用，是工业应用必须跨越的障碍。
论文的价值与意义： 这篇综述论文具有重要的学术价值和指导意义。它首次对基于氯化胆碱的三元低共熔溶剂（TDEs）这一新兴领域进行了全面、系统的梳理和总结。论文不仅通过详实的数据对比，清晰论证了TDEs相对于BDEs的优越性和可调性，更通过归纳在生物质转化、CO2捕集、重油加工、气体分离等多个关键领域的应用实例，生动展示了TDEs作为下一代绿色功能溶剂的广阔应用前景。同时，论文坦诚地指出了该领域当前存在的主要挑战，为研究人员指明了未来需要重点突破的方向，如开发预测工具、深入机理研究、评估环境与安全性能、优化工艺与工程化等。因此，本文既是该领域研究成果的集大成者，也是一份引导未来创新研究的路线图，对于推动绿色溶剂科学的发展及其在可持续工业过程中的实际应用具有重要的参考和启发作用。