CC BY
19
УДК 541.123.546.2183
А. А. Захаров, Т. Р. Билалов, Ф. М. Гумеров
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ ПАЛЬМИТАТА АММОНИЯ В СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА
Ключевые слова: пальмитат аммония, сверхкритический диоксид углерода, растворимость, динамический режим.
Представлены результаты экспериментального исследования растворимости пальмитата аммония в сверхкритическом диоксиде углерода (СК-СО2). Исследования проведены в динамическом режиме в диапазоне температур 308.15-333.15 К и интервале давлений 10.0-35.0 МПа на установке, созданной на базе сверхкритической флюидной экстракционной системы циркуляционного типа марки R-401 производства фирмы «Reaction Engineering Ink.» (Южная Корея).
Key words: ammonium palmitate, supercritical carbon dioxide, solubility, dynamic mode.
Ammonium palmitate solubility in supercritical carbon dioxide experimental investigation results are presented. Studies are carried out in dynamic mode in the range of temperatures from 300.15 to 373.15 K and the range of pressure from 8.0 to 40.0 on the experimental circulational unit created on the supercritical fluid extraction R-401 system basis of Reaction EngineeringInk firm production (the Republic of Korea).
Одним из перспективных направлений использования рабочих сред в сверхкритическом флюидном состоянии является регенерация и модификация высокопористых материалов с целью восстановления исходных и придания им дополнительных свойств [1-3]. Речь идет, в том числе, и об удалении различных примесей из объема обрабатываемого материала с целью его очистки, о внесении дополнительных модификаторов в поры вещества, о создании защитной пленки на его поверхности, включая и внутренние поверхности пор и т.д.
Как с научной, так и с практической точек зрения процесс формирования на поверхности, в особенности высокопористого вещества или материала микропленки, предотвращающей, к примеру, его растворение в воде, однозначно интересен. Статический и динамический режимы осуществления импрегнационного процесса с растворителем в сверхкритическом флюидном состоянии (СКФ) неоднократно [4-7, 9] подтверждали свою эффективность и, в том числе, в рамках задачи нанесения гидрофобного покрытия. В качестве последних рассматриваются и фторполимеры [8]. В работе [9] для нанесения гидрофобного покрытия, представленного таким фторполимером, как поли (гептадекафтордецил акрилат), использована некая модификация СК-СО2-импрегнационного процесса, сопровождаемая не резким сбросом давления в импрегнационной камере, а медленной декомпрессией, вплоть до атмосферного давления. Однако, нередко и, в том числе, в случае фторполимеров, их применение в качестве гидрофобного покрытия ограничено или даже нежелательно по причине возможного вредного воздействия на свойства готового продукта. Как следствие, поиск альтернативных соединений, хорошо растворимых в сверхкритических флюидных растворителях, и, пригодных для гидрофобизации поверхности более широкого класса веществ и материалов, по-прежнему актуален.
Одним из таковых может явиться пальмитат аммония. Для разработки СК-СО2-импрегнационной технологии пропитки материалов с его использованием необходимы, надежные данные по растворимости этого вещества в сверхкритическом диоксиде углерода. Их отсутствие в литературе обусловило предмет настоящего исследования.
Для исследования растворимости пальмитата аммония в сверхкритическом диоксиде углерода использована экспериментальная установка циркуляционного типа, созданная на базе сверхкритической флюидной экстракционной системы R-401, (рис. 1) произведенной фирмой «Reaction Engineering Ink.» (Южная Корея). Установка реализует динамический режим исследования искомой величины и позволяет проводить измерения при температурах до 100оС и давлениях до 40.0 МПа,
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки: 1 -холодильник, 2 - насос для подачи СО2 в систему, 3 - ресивер с системой нагрева и термостатирования, 4 - экстракционная ячейка с системой нагрева и термостатирования, 5 -сепаратор, 6 - массовый расходомер - регулятор расхода газа, 7 - регулятор давления «до себя», 8 - образцовый манометр
8 9 10 11 12 13 U 15 16 17 IS 19 20 21 22 23 24 25 Давлпнк.МНя
Рис. 2 - Растворимость стеариновой кислоты в сверхкритическом диоксиде углерода при Т=308.15 К: 1 - [10], 2 - [11], 3 - настоящая работа
Корректность методики определения растворимости подтверждена пробными измерениями растворимости стеариновой кислоты, результаты которых представлены на рис. 2. Из графика видно, что значения растворимости, полученные в настоящей работе, согласуются с литературными данными в пределах суммарной погрешности результатов измерений. Это позволяет сделать вывод о работоспособности установки и реализованной методики, а также надежности получаемых данных.
Основному этапу исследования
растворимости предшествует процедура оценки диапазона изменения расхода сверхкритического флюидного растворителя в проточной системе, обеспечивающего равновесную концентрацию растворенного вещества в СК-СО2.
На рисунке 3 приведена экспериментально установленная зависимость концентрации пальмитата аммония в сверхкритическом диоксиде углерода от массового расхода СК-СО2. Из него следует, что в диапазоне расходов 0-0.3 г/мин концентрация пальмитата аммония в СК-СО2 практически не зависит от величины расхода растворителя, что является свидетельством равновесности этой концентрации и ее соответствия понятию растворимости. Как следствие, именно вышеотмеченный диапазон изменения расхода растворителя в проточной системе и был выбран в качестве одного из режимных параметров при проведении основных измерений.
На рисунке 4 представлены результаты экспериментального исследования растворимости пальмитата аммония в сверхкритическом диоксиде углерода, осуществленного на изотермах Т=308.15; 318.15; 328.15; 333.15К в диапазоне давлений 10-32 МПа с использованием массового расхода СК-СО2, равного 0.3 г/мин. Погрешность измерения растворимости лежит в диапазоне от 6.78 % до 10.53 %.
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. (соглашение № 14.574.21.0085. Уникальный
идентификатор проекта RFMEFI57414 X0085) и гранта РНФ 14-19-00749.
141 ♦-----♦ - __
I Iii, S
I
£ I IS I
f "' s
I "
I *
0 0, :> 1 II.' 11,4 il . {1,(1
IV, ... I HI, I |L ......
Рис. 3 - Зависимость концентрации пальмитата аммония в сверхкритическом диоксиде углерода от расхода СК-СО2 при Р=10 МПа и Т=308.15 К
Рис. 4 - Растворимость пальмитата аммония в
сверхкритическом диоксиде углерода: 1 -
Т=308,15 К; 2 - Т=318,15 К; 3 - Т=328,15 К; 4 -
Т=333,15 К
Литература
1. Гумеров Ф.М., Сабирзянов А.Н., Гумерова Г.И. Казань: Фэн, 2000. 328 С. (2-е изд., 2007. 336 С.).
2. Чернышев А.К., Гумеров Ф.М., Цветинский Г.Н., Яруллин Р.С., Иванов C.B., Левин Б.В., Шафран М.И., Жилин И.Ф., Бесков А.Г., Чернышев К.А. Диоксид углерода. Свойства, улавливание (получение), применение. М.: «Галлея-принт». 2013, 903 С.
3. Гумеров Ф.М., Сагдеев А.А., Билалов Т.Р. и др. Катализаторы: регенерация с использованием сверхкритического флюидного СО2-экстракционного процесса. Казань: «Бриг». 2015. 264 С.
4. Bilalov T. R., Gumerov F. M. The мапиГасШп^ ргосе88е8 and са1а1у81 regeneration / Thermodynamic basis of production processes and regeneration of palladium catalysts using supercritical carbon dioxide. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG., Dudweiler Landstr., Germany, 2011, 153 P.
5. Билалов Т.Р., Термодинамические основы производства и регенерации палладиевого катализатора с использованием сверхкритического диоксида углерода / Т.Р. Билалов, Ф.М. Гумеров, Ф.Р. Габитов, И.Р. Шарафутдинов, Е.В. Тяпкин, Х.Э. Харлампиди, Г.И.
7.5 Iii 12.5 15 I . I J J 22.5 25 27.5 3« ?2,5 35 Лкышк, Mill
Федоров - Вестник Казанского технологического университета, 2008. - № 1. - С. 74-82
6. Zakharov А.А., Ameer Abed Jaddoa, Bilalov T.R., Gumerov F.M. Syntesis of the palladium catalyst with the supercritical CO2-impregnation method realized in the static mode // Int. J. of Analytical Mass Spectrometry and Chromatography. 2014. Vol. 2, Р. 113-122.
7. Gumerov F.M., Farakhov M.I., Khayrutdinov V.F., Gabitov F.R., Zaripov Z.I., Khabriyev I. S., Akhmetzyanov T.R. Impregnation of crushed stone with bitumenous compounds using propane/butane impregnation process carried out in supercritical fluid conditions // American J. of Analytical Chemistry, 2014, Vol.5, Р. 945-956.
8. Никитин Л. Н., Галлямов М. О., Саид-Галиев Э. Е., Хохлов А. Р., Бузник В. М. Сверхкритический диоксид углерода как активная среда для химических процессов
с участием фторполимеров // Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева.- 2008.- Т. LII, № 3.- С. 56-65.
9. Mishima K., Yokota H., Kato T., Suetsugu T., Wei X., Irie K., Mishima K., Fujiwara M. Concervation microencapsulation of CaCO3 particles with a fluoropolymer by pressure-induced phase separation of supercritical carbon dioxide solutions //Advances in Materials Physics and Chemistry. 2012. № 2. Р. 181-184.
10. Iwai Y., Koga Y., Maruyama H., Arai Y. J. Chem. Eng. Data. 1993. Vol. 38, № 4, Р. 506-508.
11. Koga Y., Iwai Y., Hata Y., Yamamoto M., Arai Y. Fluid Phase Equil. 1996. Vol. 125, Р. 115-128.
© А. А. Захаров - аспирант кафедры теоретических основ теплотехники, КНИТУ, [email protected]; Т. Р. Билалов - к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected]; Ф. М. Гумеров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, [email protected].
© A. Zakharov - Ph.D. student of Theoretical foundations of Thermal Engineering department, KNRTU, [email protected]; T. Bilalov - Ph.D., Associate Professor of Theoretical foundations of Thermal Engineering department, KNRTU, [email protected]; F. Gumerov - Dr. of Sciences, prof., Head of Theoretical foundations of Thermal Engineering department, KNRTU, [email protected].
