综述:预测和关联固液相平衡的热力学模型
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时间:2025年09月28日
来源:Physical Chemistry Chemical Physics 2.9
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本综述系统评述了预测固液相平衡(SLE)的热力学模型,重点分析其在有机化合物、无机盐及多元混合物中的适用性与局限性,为(化工过程设计)与(药物开发)提供关键理论支撑,并指出未来模型需向模块化、可解释方向迭代。
热力学模型的核心价值
热力学模型作为预测物质在不同温度下行为的关键工具,能够显著减少实验投入并提升产品设计效率。这些模型通过数学框架描述溶解度行为,为化工、制药等领域的工艺开发与优化提供理论指导。尽管现有模型种类繁多,但其应用常受限于特定条件,尚未形成普适性解决方案。
主流模型及其适用性
活度系数模型(如NRTL、UNIQUAC)通过描述液相非理想性来预测溶解度,尤其适用于有机化合物体系。状态方程模型(例如PC-SAFT)则通过分子参数直接计算相平衡,在处理高压或复杂混合物时展现优势。对于电解质溶液(如无机盐体系),eNRTL或Pitzer模型通过引入离子相互作用项提升预测精度。然而,每种模型均存在局限性:活度系数模型需依赖实验数据拟合参数,状态方程模型对极性化合物适应性较差,而电解质模型需考虑离子水合等复杂效应。
关键应用场景
在药物多晶型筛选中,模型可预测不同晶型的相对稳定性与溶解度曲线;在工业结晶过程中,通过控制过饱和度优化产品粒度分布;对于离子液体-盐体系,模型需同时处理氢键与静电相互作用。特定案例中,PC-SAFT模型成功预测了抗生素在混合溶剂中的溶解度,而eNRTL模型精准关联了锂盐-有机溶剂体系的相图。
局限性挑战
模型精度受限于实验数据质量与参数化方法:强极性分子(如氨基酸)的溶剂化效应难以准确描述,多元混合物中分子间作用的耦合机制尚未完全解析。此外,模型普遍缺乏对固相非理想性(如晶体缺陷)的量化能力。
未来发展方向
下一代热力学模型需具备模块化架构,允许根据体系特性灵活组合相互作用模块;同时提升模型可解释性,通过机器学习辅助参数优化。开发跨尺度模型(从分子模拟到宏观性质预测)将是实现精准设计的关键。
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