CC BY
17
УДК 533.1, 536.75
И. И. Гильмутдинов, Н. С. Сандугей, И. В. Кузнецова, И. М. Гильмутдинов, А. Н. Сабирзянов
ИССЛЕДОВАНИЕ РОСТА ЧАСТИЦ АНТРАЦЕНА В СВОБОДНОЙ СТРУЕ В ПРОЦЕССЕ
БЫСТРОГО РАСШИРЕНИЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО РАСТВОРА
Ключевые слова: сверхкритический флюид, антрацен, RESS, рост частиц, свободная струя.
В данной статье представлены результаты исследования роста частиц антрацена в свободной струе методом быстрого расширения сверхкритических растворов (Rapid Expansion of Supercritical Solutions (RESS)). Выявлено, что в процессе диспергирования антрацена при данных параметрах частицы образуются сферической формы. Установлено, что увеличением расстояния от канала расширения до значения L/D=25 наблюдается рост среднего размера частиц, далее средний рзмер частиц антрацена изменяется монотонно. В области монотонного изменения среднего размера частиц антрацена наблюдается «разброс» значений средних размеров, это объясняется возникновением турбулентных потоков в свободной струе в процессе быстрого расширения.
Keywords: supercritical fluid, anthracene, RESS, particle growth, free jet.
This article presents the results of a study of the particle growth of anthracene in a free jet by the rapid expansion of supercritical solutions (Rapid Expansion of Supercritical Solutions (RESS)). Revealed that in the process of dispersing the anthracene at the given parameters particles are formed spherical shape. It was found that the distance from the channel extension to the value L / D = 25 is observed increase in the average particle size below the average particle rzmer anthracene varies monotonically. In the monotonic change in the average particle size of anthracene observed "spread" values of medium size, this is due to the occurrence of turbulence in the free jet in the process of rapid expansion.
Введение
Одним из методов получения микро- и наночастиц с узким распределением по размерам является метод быстрого расширения сверхкритических растворов (RESS). Этот метод позволяет управлять средним размером и морфологией исследуемых частиц, изменяя параметры процесса и условия расширения. В настоящей работе процесс RESS применяется для диспергирования антрацена. Зародышеобразование и рост частиц происходит внутри канала расширения и в свободной струе. В области свободной струи происходит три важных физических процесса (образование ядра, конденсация и коагуляция), что влияет на распределение размеров частиц. Такие параметры свободной струи, как плотность, давление, температура, скорость и явления в процессе истечения (турбулентность, ударные волны, смешение с фоновыми газам) имеют влияние на параметры получившихся частиц. Данная работа направлена на исследование процесса роста частиц в свободной струе в процессе расширения сверхкритического флюидного раствора.
Материалы
Антрацен - представляет собой бесцветные кристаллы, с температурой плавления tnn= 218° C. Нерастворим в воде, растворим в ацетонитриле и ацетоне, при нагревании растворим в бензоле. (CAS: 120-12-7, частотой 98%, производство ACROS ORGANICS, New Jersey, USA)
В качестве растворителя в процессе RESS используется диоксид углерода с чистотой 99% (ГОСТ 8050-85).
Экспериментальная часть
Подробное описание RESS процесса представлена в работе [2]. Для проведения экспериментального исследования процесса роста частиц в свободной струе в направлении движения была сконструирована камера расширения из стали марки 12X18H9T (рис. 1).
Рис. 1 - Камера расширения
Конструкция камеры расширения позволяет установить предметное стекло вдоль свободной струи в процессе расширения сверхкритического раствора. Осажденные частицы на предметное стекло проанализированы на оптическом микроскопе Levenhuk T670D. Данный микроскоп позволяет проводить измерения при увеличении объектов от 40 до 1000 раз. Исследуемое вещество после процесса диспергирования осаждается на предметное стекло в виде монослоя. Изображение, на котором через объектив микроскопа, фиксируется на фотокамеру. Далее производится обработка графического изображения, которое осуществляется с помощью программы Axio Vision фирмы CarlZeiss.
Результаты эксперимента
Процесс RESS протекает в сверхкритическом флюиде при высоких значениях скорости потока (порядка 300 м/с) в микронных каналах и в свободной струе сложной геометрии, что сопровождается зародышеобразованием, ростом и коагуляцией частиц в турбулентном потоке, поверхностными явлениями при сверхкритических параметрах состояния, разрушением частиц ударными волнами, тепловыми эффектами растворения и тепло-массообменом со стенкой и фоновым веществом.
На процесс формирования субмикронных и наночастиц в процессе расширения влияют также масса и структура молекул растворяемого вещества, его физико-химические свойства: плотность, теплоемкость, летучесть и коэффициент поверхностного натяжения на границе «растворенное вещество - сверхкритический растворитель».
В настоящей работе на установке RESS-100 была проведена серия экспериментов по получению частиц антрацена при параметрах процесса P =30 МПа, ^^=50^, Tff=70 оС, исследовался процесс роста частиц в свободной струе в направлении движения. Диаметр канала D=150 мкм, длина канала 1000 мкм.
В процессе быстрого расширения сверхкритических растворов частицы образуются сферической формы. На рис. 2 представлено изображение частиц антрацена при P =30 МПа, ^=50°^ ^=70 оС и L/D=1000/150.
Рис. 2 - Изображение частиц антрацена на оптическом микроскопе в результате быстрого расширения методом КЕ88 при Р =30 МПа, Тнас=50оС, Тур=70 оС и Ь/Б=1000/150
Результаты исследования роста частиц антрацена в процессе расширения методом RESS представлены на рис. 3, где L-расстояние до пластины, D-диаметр канала.
В ходе расширения растворенное вещество конденсируется на зародышах и образует субмикронные и наночастицы. Параллельно с ростом зародышей протекает и процесс образования критических зародышей, а также коагуляция между субмикронными и наночастицами. После выхода из канала расширения поток флюида встречается с диском Маха (сечение потока, в котором число Маха равно единице), где разрушаются кластеры и
некоторые частицы, образовавшиеся в результате коагуляции. Далее процесс расширения происходит в свободной струе, где флюид встречается с фоновым газом. В свободной струе, из-за более низких скоростей начинает преобладать процесс коагуляции, а процесс образования критических зародышей сводится к минимуму. В атмосферных условиях диоксид углерода переходит в газообразное состояние, а твердое вещество полностью осаждается. В результате получаются частицы, свободные от остаточного растворителя. Как видно из рис. 3 с увеличением расстояния от канала расширения средний размер частиц изменяется. До расстояния L/D=25 наблюдается рост частиц, далее наблюдается изменение среднего размера частиц. Это объясняется тем, что на расстояние от канала расширения образуются турбулентные потоки, в результате чего средний размер частиц изменяется.
Рис. 3 - Влияние расстояния распыления на средний размер частиц при Р =30 МПа, Тнас=50оС, Тур=70оС
Выводы
В данной работе проводилось исследование роста частиц антрацена в свободной струе в процессе быстрого расширения сверхкритических растворов при параметрах процесса P =30 МПа, ^0=50°^ ^=70 оС. Выявлено, что в процессе диспергирования антрацена при данных параметрах частицы образуются сферической формы. Установлено, что увеличением расстояния от канала расширения до значения L/D=25 наблюдается рост среднего размера частиц, далее средний рзмер частиц антрацена изменяется монотонно. В области монотонного изменения среднего размера частиц антрацена наблюдается «разброс» значений средних размеров, это объясняется возникновением турбулентных потоков в свободной струе в процессе быстрого расширения.
Благодарность
Работа выполнена в рамках Соглашения №1408-31319/14 от 14.02.2014 с федеральным государственным бюджетным учреждением «Российский фонд фундаментальных
исследований».
Литература
1. Кузнецова И.В. Диспергирование метилпарабена методом быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского государственного университета им. А. Н. Туполева. - Казань. - 2011.- №2.- С. 104-108.
2. Кузнецова И.В. Диспергирование ибупрофена методом быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, Р.Р. Илалов, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А. Мухамадиев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. - Казань.- 2011. - №3. - С. 38-43.
3. Silvia De Dea. Growth of magnetic thin films using CO2 RESS expansions /Silvia De Dea, Dominic Graziani, David R. Miller, Robert E Continetti //J. of Supercritical Fluids. -2007.-№ 42 .С. 410-418
4. Кузнецова И.В. Гидродинамика и зародышеобразование в канале и свободной струе в процессе быстрого расширения сверхкритического раствора / И.В. Кузнецова, И.И. Гильмутдинов, И.М. Гильмутдинов, А.А.Мухамадеев, А.Н. Сабирзянов // Вестник Казанского технологического университета. -Казань. - 2012. - №1. - С.111-118.
5. Helfgen B. Theoretical and Experimental Investigation of the Micronization of Organic Solids by Rapid Expansion of Supercritical Solutions/ B. Helfgen, M. Turk, K. Schaber. -Powder Technology, 2000. - P.22
© И. И. Гильмутдинов - асп. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, ilnur1988@inbox.ru; Н. С. Сандугей - студ. КНИТУ; И. В. Кузнецова - асс. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, Irina301086@rambler.ru; И. М. Гильмутдинов - к.т.н. ассистент той же кафедры, gilmutdinov@kstu.ru; А. Н. Сабирзянов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, sabirz@kstu.ru.
©1.1. Gilmutdinov - assistant, Department of Thermal Engineering theoretical foundations, KNRTU, ilnur1988@inbox.ru; N. S. Sandugey - student, KNRTU; 1 V. Kuznecova - lecturer, Department of Thermal Engineering theoretical foundations, KNRTU, Irina301086@rambler.ru; I. M. Gilmutdinov - Candidate of Technical Sciences, lecturer in the same department, gilmutdinov@kstu.ru; A. N. Sabirzyanov - Professor in the same department, sabirz@kstu.ru.
