CC BY
184
УДК 536.412
А. Ф. Ягфарова, А. Р. Габдрахманова, Л. Р. Минибаева, А. В. Клинов, И. Н. Мусин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ [EMIM] [Cl]
В МЕДИЦИНСКИХ ЖИДКОСТНЫХ ТЕРМОМЕТРАХ
Ключевые слова: ионная жидкость, термометры, коэффициент объемного расширения.
С целью изучения возможности использования водных растворов ионной жидкости [Emim][Cl] в термометрии было экспериментально исследовано объемное тепловое расширение в диапазоне температур от 10 до 100 °С и концентраций от 0 до 100% масс. На основе эксперимента получена зависимость коэффициента объемного расширения водного раствора [EMIM][Cl] от температуры и концентрации. Рассчитаны параметры медицинского жидкостного термометра с применением ионной жидкости [EMIM][Cl] в качестве рабочей среды.
Keywords: ionic liquid, thermometers, coefficient of thermal expansion.
In order to study the possibility of using an aqueous solution of ionic liquid [Emim][Cl] in thermometry was experimentally investigated its volumetric thermal expansion in the temperature range from 10 to 100 ° C and concentrations from 0 to 100 wt. %. Based on the experiment, the dependence of the coefficient of volume expansion the aqueous solution [EMIM][Cl] on temperature and concentration. Calculated the parameters of the medical thermometer liquid with the use of ionic liquid [EMIM][Cl] as the working environment.
Введение
Научный и технологический интерес к ионным жидкостям (ИЖ) и их смесям с различными жидкостями в последние годы быстро возрастает [14], в то время как их термодинамические и структурные свойства еще не до конца изучены [5]. Большой научный интерес к ИЖ обусловлен наличием таких специфических свойств, как широкий интервал жидкого состояния и низкие температуры плавления, высокая удельная электропроводность, хорошая растворяющая способность по отношению к разнообразным соединениям, каталитическая активность, нелетучесть, нетоксичность. Пожалуй, самым важным и привлекательным свойством ионных жидкостей является возможность управления физическими, химическими и биологическими свойствами ИЖ путем подбора структуры катиона и аниона [6-9].
Изучение ионных жидкостей также сконцентрировано в применении их в зеленой химии в качестве зеленых растворителей для замены летучих, токсичных органических растворителей. По сравнению с обычными молекулярными растворителями, ИЖ обычно энергонезависимы, в большинстве случаев негорючие, менее токсичны, хорошо растворяют органические и неорганические материалы и могут быть использованы в более широком диапазоне температур.
Таким образом, спектр потенциального применения ИЖ очень широк: растворители, катализаторы, теплоносители, экстрагенты, электролиты, сенсоры, жидкие кристаллы и т. д.
Нетоксичность, большая растворяющая способность, нелетучесть и многие другие свойства ионных жидкостей вызывают большой интерес для применения их в медицине.
В журнале Green Chemistry опубликована статья группы британских и американских ученых, которые предложили заменить ртуть на ионную жидкость - соль органического соединения, которая
при нормальных условиях существует в жидком состоянии [6]. Ионные жидкости давно известны химикам, они используются в системах доставки лекарств в организм, в аккумуляторах и топливных элементах [10].
ИЖ являются наиболее подходящим материалом для замены ртути в медицинских жидкостных ртутных термометрах. У ИЖ по сравнению с ртутью несколько преимуществ. Помимо низкой токсичности, они обладают более быстрым откликом на изменение температуры. Низкое давление паров позволяет устранить последствия разрушения термометра с меньшими усилиями и более эффективно. По сравнению с молекулярными жидкостями, также широко используемыми в термометрии (такими, например, как этанол), у ИЖ более широкий температурный диапазон применения [6].
С целью изучения возможности использования ионной жидкости [Етт][С1] в термометрии было экспериментально исследовано ее объемное тепловое расширение.
Схема установки и методы измерений
К стеклянной колбе на 60 мл плотно прикреплена узкая стеклянная капиллярная трубка с делениями. Колба помещена в термостат, который позволяет устанавливать температуру от 10 до 100С° (рисЛ).
Рис. 1 - Схема установки
С целью установления погрешностей измерений экспериментально были измерены коэффициенты расширения этанола и сравнены с литературными данными [11].
Рис. 2 - Коэффициент объемного расширения этанола
После термостатирования определялось изменение объема. По результатам измерений была построена полиномиальная зависимость изменения объема этанола от температуры и аналитически продифференцирована. Относительная погрешность измерений составила 10% (рис.2).
Коэффициент объемного расширения рассчитывался по формуле:
Р^- ■ (1)
н V СТ ^
где ^ - изменение объема (м3), V - объем жидкости (м3), СТ - изменение температуры (К).
Коэффициент расширения ионной жидкости [Бт1т][С1]
Были приготовлены водные растворы ионной жидкости [Ет1т][С1] 25% масс., 50% масс., 75% масс., 100% масс. и воды. Предварительно замерив температуру полученных растворов, наполнили колбы ионной жидкостью разных концентраций до определенной метки на капилляре, от которой начали вести отсчеты. Колбы поместили в термостат и нагревали от 10°С до 100°С и измеряли изменение объема. Измерения для чистой ионной жидкости [Етт][С1] проводились при температурах от 80°С до 100°С, так как ниже 80°С данная ИЖ находится в твердом состоянии.
По результатам измерений были построены полиномиальные зависимости объема от температуры и продифференцированы. В результате получены линейные зависимости коэффициента объемного расширения от температуры. Результаты измерений представлены на рис. 3.
Проанализировав данные результаты получили зависимость для описания коэффициента объемного расширения ионной жидкости [Ет1т][С1] при разных концентрациях и температурах от 10 до 100°С:
в(Х,Т)=А+Б ■ Т, (2)
где А = 8,310"5-5,44-10"6Х+4,58-10"7Х2 -- 7,5610-9Х3 + 4,4610-11Х4, В = 6,91 10-6--1,6710-9Х + 6,29-10-11Х2-1,46-10-11Х3, Х - концентрация ионной жидкости (% масс.), Т - температура (°С).
Температура, °С
Рис. 3 - Коэффициент объемного расширения [Бт1т][С1]
Максимальная относительная погрешность коэффициента расширения, вычисленного по формуле (2), по сравнению с экспериментальными данными составила 7%.
Среднеквадратическое отклонение было рассчитано по формуле (3):
(
а=
п 2
^ (вэкс врасч )
.V
(3)
где п - количество экспериментов, рэкс - экспериментальные значения коэффициента расширения, Ррасч - значения коэффициента расширения, рассчитанные по формуле (2), и составило 2,34-10-5.
Расчет шкалы термометра
Для того, чтобы шкала термометра была равномерной, подбираем концентрацию ионной жидкости, при которой с изменением температуры коэффициент расширения остается постоянным. Исходя из полученной зависимости для определения коэффициента объемного расширения (2) было найдено, что это условие выполняется при концентрации ионной жидкости [Ет1т][С1] 79%. При данной концентрации коэффициент расширения равен 0,0005228 К-1.
Объем термометрической жидкости V (м3) был рассчитан по формуле [12]:
■ (Рж-вст ) ■ *
(4)
1+вст ■ *
где У0 - объем жидкости при температуре 10=0°С (м3), рж - коэффициент объемного расширения термометрической жидкости (К-1), рст - коэффициент объемного расширения стекла (Рст=9-10-6 К-1). Берем начальный объем ионной жидкости равный начальному объему ртути в медицинском максимальном ртутном термометре У0=0,126-10-6 м3 [12], Р[ем1м][с1]=5,228-10-4 К-1. Отсюда получаем У=2,718-10-9 м3.
Рассчитываем объем резервуара [12]:
Чез =Ч*(1+РИЖ 01) , (5)
где Д: — изменение температуры (Д1 =32°С, так как шкала термометра имеет начальную отметку 32°С.)
Урез=1,281-10"7 м3.
Далее рассчитываем диаметр трубки [12]::
/4Н> ' в[ЕМ1М][С1] ' (12-11) (6)
V пЬ '
где для медицинского термометра 11=32 °С, 12=42 °С, Ь - смещение столбика ртути по капиллярной трубке при нагревании от ^ до 12 (Ь=0,1 м). Диаметр трубки составил 9,2-10-5 м.
Заключение
В данной работе были измерены коэффициенты объемного расширения водных растворов [ЕМ1М][С1] при различных концентрациях и в температурах от 10 до 100 °С. На основе этих данных получена зависимость для описания коэффициента объемного расширения ионной жидкости [Етт][С1] в исследуемом диапазоне температур и концентраций.
Рассчитаны параметры медицинского жидкостного термометра с применением ИЖ [ЕМ1М][С1] в качестве рабочей жидкости.
Литература
1. D.R. MacFarlane, K.R. Seddon Aust. J.Chem. 60, 3-5 (2007);
2. M. Deetlefs, K.R. Seddon Chim. Oggi Chem. Today 24 1617 (2006);
3. R.D. Rogers, K.R. Seddon (Eds.), Ionic Liquids as Green Solvents: Prodress and Prospect. ACS Symposium Series, vol. 856, ACS, Washington, DC, 2003.
4. P. Wasserscheid, T. Welton (Eds.), Ionic Liquids in Synthesis, Wiley-VCH, Weincheim, 2003.
5. I.M. Abdulagatov, A. Tekin, J. Safarov, A. Shahverdiyev, E. Hassel J.Chem. Thermodynamics, 40 1386-1401 (2008).
6. Hector Rodrigues, Margaret Williams, John S.Wilkes, Robin D.Rogers Green Chem, 10, 501-507 (2008);
7. А.Ф. Ягфарова, А.Р. Габдрахманова, Л.Р. Минибаева, И.Н. Мусин Вестник Казанского технологического университета, 15, 13, 192 - 196 (2012)
8. А.Р. Габдрахманова, А.Ф. Ягфарова, Л.Р. Минибаева, А.В. Клинов Вестник Казанского технологического университета, 15, 13, 63 - 66 (2012)
9. В.М. Рамм, Абсорбция газов. Химия, Москва, 656 с. (1976);
10. http://medinfo .ru/mednews/12255.html
11. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии/ Учебное пособие для вузов, Ленинград: Химия, 576 с. (1987)
12. С. Д. Кузьмичев Потенциал, 13 (2005).
© А. Ф. Ягфарова - студ. КНИТУ, aliya_yagfarova@mail.ru; А. Р. Габдрахманова - студ. КНИТУ, apelsinochka91@mail.ru; Л. Р. Минибаева - асс. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, minibayeva@kstu.ru, А. В. Клинов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. процессов и аппаратов химической технологии, И. Н. Мусин - зав. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КНИТУ, imusin@kstu.ru.
