CC BY
9УДК 536.77:547.442
ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ 1-БУТИЛ-3-МЕТИЛИМИДАЗОЛИЯ БИС(ТРИФТОРМЕТИЛСУЛФОНИЛ)ИМИДА.
ГАМИДОВА РЕНА ФАХРАДДИН КЫЗЫ,
к.т.н., доцент кафедры энергоэффективности и технологии зеленой энергетики, Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан
МУСЛИМОВ АХМЕД ХАБИЛ ОГЛЫ
Старший преподаватель кафедры энергоэффективности и технологии зеленой энергетики, Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан
АКБАРОВА УЛЬКАР МУБАРИЗ КЫЗЫ,
ассистент кафедры энергоэффективности и технологии зеленой энергетики, Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Азербайджан
Аннотация. Даны аналитические обобщение экспериментальных данных плотности ионной жидкости 1-бутил-3-метилимидазолия бис (трифторметилсульфонил) имид [BMIM] [NTf2] при различных Т = (273,15 до 413,15) К и давлениях до р = 140 МПа в денсиметре вибрационной трубки DMA 5000 с высокой точностью. Используя экспериментальные значения в выбранных температурах были построены аналитические зависимости ионных жидкостей. Полученные значения были описаны с помощью полиномиальных уравнений.
Ключевые слова: плотность, вибрационная трубка плотномера, ионная жидкость.
Ионные жидкости -это класс солей, которые состоят из органических или неорганических катионов и неорганических или органических многоатомных анионов. Катионы ионных жидкостей объемнее, чем анионы. Природа анионов влияет на химические, а природа катионов на физические свойства ионных жидкостей. К уникальным физическим свойствам ионных жидкостей относятся такие свойства как, высокая термическая стабильность, высокая теплоемкость, высокая ионная проводимость из-за его ионной природы, низкая температура плавления (при комнатной температуре), широкий диапазон жидкого состояния (до Т >400°С). Ионные жидкости относятся к «зеленым растворителям», которые соответствуют принципам зеленой химии, так как они не токсичны, разлагаются при попадание в окружающую среду, отходным продуктом является этиловый спирт. Определение плотности ионной жидкости имеет большое значение, так как она сильно связана с молярным объемом жидкости, а также позволяет с помощью известных формул можно вычислить теплопроводность. Плотность ионной жидкости определялось в денсиметре вибрационной трубки DMA 5000 с высокой точностью.
Принцип работы экспериментальной установки для определения плотности ионной жидкости методом денсиметра вибрационной трубки основан на зависимости периода вибрации направленной в одну сторону U-образной трубки и массы трубки. Схематический рисунок установки показан на рисунке 1. Основной элемент установки измерительная ячейка (13) внутри которой имеется вибрационная трубка Hastelloy C-276. Измерительная ячейка проектирована специально для измерений при температурах T=(263.15-473.15) K и давлениях p=(0.1-140) МПа. Температура в измерительной ячейке при T=(263.15^473.15) K создается с помощью внешнего термостата (18) F32-ME (Julabo, Германия) с погрешностью 0.01 К. Стабильность созданной температуры также поддерживается с помощью этого термостата. Температура измеряется с помощью платиновых термометров Pt100 (ITS-90) с погрешностью ±3 mK. Давление создается с помощью манометра давлений (4)(37-6-30, HIP, США) и измеряется с помощью сенсоров давления Р-10 (6) класса точности 0.1 % и НР-1(5) класса
точности Ар= 0.5 % от измеренного значения давления. Части установки находящиеся под высоким давлением показаны красными жирными линиями. Денсиметр DMA 5000 находится в лаборатории кафедры «Энергоэффективность и технологии зеленой энергетики» Азербайджанского Технического Университета.
Рисунок 1. Установка вибрационной трубки DMA HPM: 1 - Колба для пробы; 2, 7, 16, 17 - Вентили высокого давления, 3 - Тройник, 4 - Манометр давления; 5 - HP-1 сенсор давления; 6 - P-10 сенсор давления; 8 - вентиль для разделения системы от манометра во время экспериментов; 9 - Система для контроля температуры, давления и периода колебаний mPDS2000V3; 10 - Вакуумметр; 11 - Четверик, 12 - Смотровое окно; 13 - Вибрационная трубка; 14 - Интерферометр; 15 - Компьютер; 18 - Термостат F32-ME; 19 - Вакуумный насос; 20 - Термос.
Эксперимент проводится в статическом режиме, где образец вводится в вибрирующую пробирку с усилителем давления и остается без движения во время измерения при требуемом давлении. Эта конструкция используется для измерения чистых жидкостей и их смесей. Поведение вибрирующей трубки, по принципу, похоже на поведение вибрирующего стержня, которая зажимается на обоих концах и используется для описания колебания. Основные соотношения, для вывода уравнения состояния является выражение периода колебания т. Резонансная частота f, может быть описана простой физико-математической моделью как показано в следующем уравнении,
^ (1)
m
2ж 2ж\
где: юо -угловая частота с-1; k - жесткость материала трубы, Н.м ; m - масса вибрационной трубки в кг.
Масса вибрационной трубки m, равна сумме масс трубки в вакууме и исследуемой жидкости содержащейся в трубке.
m = m0 + р( p, T) • V (p, T) (2)
где: то - масса вибрационной трубки в вакууме, в кг, р(р,Т) - плотность жидкости в вибрационной трубке кг.м-3; У(р,Т)- объем вибрационной трубки в м3. Уравнение (1) можно написать в следующем виде,
^^ 8ЛГ 2019 - 5.П ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
2020 - 5.497 181 2019 - 0.172
/ (Т, р) = —1----(3)
^ " 2, у ш0 +р(Т, р)У(Т, р)
Жесткость трубки, к, зависит от размера и формы трубки и пропорционально модулю Юнга материала трубы. Отсюда следует, что квадрат частоты возрастает с увеличением жесткости трубки и обратно пропорциональна его массе. Частота также обычно уменьшается по мере увеличения длины трубки. Хорошо известно, что резонансная частота равна обратной величине периода вибрации, т. Этот период может быть определен следующим образом,
т(Т,р) = 2, К р■ &(Т■ Р).
" к (4)
Из приведенного уравнения (2.4) видно, что плотность жидкости может быть непосредственно связано с периодом колебания вибрационной трубки следующим образом:
т(Т, р)2 к _
р(Т ■ р) = ■ 2 т2(Т ■ р)к -
V(Т■ р) 4, V(Т■ р) V(Т■ р) (5)
Измеренные плотности в зависимости от давления и температуры установлены из уравнения состояния :
р(р, Т )/МРа = А(Т) • (р/% • еш"3)2 + В(Т) • (р/% • еш"3)8 + С(Т) • (р/% • еш"3)12 (б) где: коэффициенты А (Т), В (Т) и С (Т) являются функциями температуры.
4 3 3
А(Т) = Ха,Т'■ В(Т) = £Ы■ С(Т) = ^.
I=1 '=о '=о (7)
Коэффициенты аi, bi и с описывают экспериментальные результаты плотности ионной жидкости [BMIM] [NTf2]. Для ионной жидкости [BMIM] [NTf2], средняя погрешность для значений Ар / р = ± 0,062%, что составляет Ар = ± 0,1кгм-3 от максимально возможного Ар = ± 0,47кгм-3.
Погрешности измеренных значений рассчитываются в соответствии со следующими статистическими уравнениями:
РВ, % = 100 (Р^>-Р"А (8)
\ Рехр )
APD,o/o = MZ
п
Рехр Peal
Рехр
(9)
где рexp - измеренная плотность, рса1 -расчетная плотность из уравнения (5.26), и N количество сравниваемых точек.
При изучении теплофизических свойств веществ в широком диапазоне температур и давлений измерения производятся только при заданных значениях. Но чтобы получить эти свойства в любом случае параметров, по опыту Полученные результаты важно записать с помощью уравнений. По этой причине в представленной статье измеренные значения плотности ионной жидкости записывается через полиномиальное уравнение.
Таблица 1. Значения коэффициентов ai
[BMIM][NTf2]
ai bi ci
ai = -2.52296606 b0 = -47.5329551 C0 = 7.84979326
a2 = 1.11071177 10-2 b1 = 0.59043 C1 = -7.50919 10-2
a3 = -0.16614126-10-4 b2 = -0.18066 10-2 C2 = 0.2296674 10-3
a\ = 0.7511210-'
Ъз = 0.1797 10-
сз = -0.2124491374 10-1
Таблица 2. Экспериментальные значения, плотности, р/кг-м3 1-ЬШ:у1-3-теШуНт1 ёа2о11ишЫ8-(trif11uoromethy1su1fony1)imide [ВМ1М][КТ£2] при различных значениях давления и температуры.
P P T P P T P P T
0.101 1460.36 273.15 109,970 1515,84 283.15 69.987 1482.78 298.16
1.575 1461.35 273.18 118.950 1512.36 293.15 79.958 1488.34 298.15
4.989 1463.63 273.17 129.935 1517.61 293.15 90.005 1493.74 298.14
10.077 1466.99 273.14 139.274 1521.97 293.15 99.978 1498.95 298.15
19.746 1473.26 273.14 0.101 1441.48 293.15 109.968 1504.02 298.13
29.997 1479.73 273.14 1.418 1442.44 293.16 119.945 1508.95 298.15
39.393 1485.49 273.13 4.886 1444.98 293.15 129.968 1513.80 298.15
49.998 1491.81 273.13 9.795 1448.52 293.15 139.958 1518.55 298.15
59.843 1497.50 273.13 19.754 1455.48 293.15 0,101 1422,66 313,15
69.997 1503.19 273.14 29.998 1462.36 293.15 1.418 1423.71 313,11
79.504 1508.35 273.16 39.408 1468.44 293.15 5,204 1426,67 313,12
90.098 1513.91 273.15 49.997 1475.02 293.15 5.204 1426.67 313.12
99.368 1518.61 273.14 59.813 1480.90 293.15 9.765 1430.17 313.17
109.933 1523.78 273.14 69.996 1486.77 293.15 20.347 1438.02 313.17
120.411 1528.71 273.13 79.504 1492.07 293.15 30.098 1444.93 313.15
129.932 1533.03 273.15 89.996 1497.71 293.15 39.571 1451.36 313.14
139.613 1537.25 273.16 99.217 1502.52. 293.15 49.997 1458.16 313.14
0.101 1450.91 283.15 109.936 1507.94 293.15 59.573 1464.14 313.14
1.202 1451.68 283.18 118.950 1512.36 293.15 69.996 1470.41 313.14
5.187 1454.48 283.15 129.935 1517.61 293.15 80.187 1476.30 313.14
10.200 1457.94 283.16 139.274 1521.97 293.15 89.997 1481.76 313.15
20.191 1464.67 283.16 0.101 1436.76 298.15 99.768 1487.03 313.16
30.101 1471.12 283.16 1.235 1437.63 298.16 109.837 1492.30 313.16
40.081 1477.39 283.16 5.002 1440.47 298.15 120.111 1497.53 313.16
49.997 1483.42 283.15 10.006 1444.18 298.14 129.837 1502.36 313.16
60.008 1489.30 283.15 19.968 1451.31 298.15 139.857 1507.23 313.16
69.998 1494.97 283.15 29.954 1458.14 298.13 0.101 1403.91 333.15
79,898 1500,41 283.15 39.952 1464.68 298.15 1.571 1405.16 333.12
89,997 1505,76 283.15 50.004 1470.98 298.17 5.018 1408.08 333.13
99,512 1510,65 283.15 59.925 1476.95 298.15 9.573 1411.84 333.15
19.998 1420.12 333.15 129.833 1472.46 353.17 69.992 1406.84 393.15
29.997 1427.65 333.14 139.753 1477.61 353.17 80.121 1413.73 393.16
39.634 1434.56 333.13 0.101 1366.59 373.15 89.994 1420.13 393.16
49.997 1441.63 333.15 1.253 1367.68 373.14 99.459 1426.01 393.16
59.796 1448.01 333.16 4.940 1371.17 373.13 109.834 1432.16 393.16
69.997 1454.35 333.15 10.088 1375.93 373.15 119.422 1437.62 393.16
79.530 1460.04 333.14 20.181 1384.85 373.16 129.833 1443.32 393.16
89.997 1466.07 333.15 29.994 1393.07 373.15 0.101 1329.54 413.15
99.488 1471.34 333.15 39.415 1400.57 373.15 1.024 1330.50 413.13
109.844 1476.92 333.15 49.994 1408.55 373.16 5.002 1334.61 413.15
119.474 1481.98 333.15 60.032 1415.74 373.17 10.410 1340.07 413.16
129.847 1487.32 333.14 69.993 1422.52 373.15 20.251 1349.64 413.16
139.470 1492.20 333.13 79.488 1428.69 373.13 29.996 1358.66 413.16
0.101 1385.21 353.15 89.995 1435.23 373.15 40.087 1367.55 413.16
2.062 1386.99 353.16 99.429 1440.87 373.16 49.992 1375.83 413.15
4.981 1389.60 353.16 109.846 1446.85 373.16 60.368 1384.07 413.15
9.972 1393.97 353.15 120.742 1452.90 373.17 69.992 1391.31 413.15
19.715 1402.15 353.16 129.844 1457.80 373.17 80.288 1398.68 413.14
29.997 1410.34 353.15 139.897 1463.09 373.17 89.996 1405.26 413.14
39.906 1417.81 353.14 0.101 1348.03 393.15 99.338 1411.29 413.14
P P T P P T P P T
49.994 1425.04 353.15 2.049 1349.98 393.14 109.856 1417.73 413.14
60.299 1432.06 353.16 5.204 1353.10 393.14 120.053 1423.65 413.13
69.997 1438.36 353.16 10.321 1358.04 393.14 129.854 1429.05 413.14
79.453 1444.25 353.16 20.391 1367.39 393.16
89.995 1450.53 353.15 29.995 1375.85 393.15
99.161 1455.81 353.13 39.559 1383.86 393.15
109.841 1461.76 353.15 49.993 1392.15 393.15
120.136 1467.33 353.17 60.279 1399.89 393.15
ил 1M0 1300 IJgO 1400 14Л 1440 1400 14S0 1500 15Л 1M0 fjkfm1
Рисунок 2.Зависимость давление Р в [BMIM][NTf2] от плотности р при разных температурах: ♦ , 273.15 К; ■, 283.15 К; 293.15 К; ▼, 298.15 К; *, 313.15 ^ О, 333.14 K; □, 353.16 ^ А, 373.15 K; V, 393.15 ^ Я, 413.15 ^ - вычисленные с помощью уравнений состояния (6 и
7).
Как видно из этих рисунков, плотности жидкости уменьшается с увеличением температуры при постоянном давлении для ионной жидкости [ВМ1М] [NTf2] увеличивается с увеличением давления.
0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010
&
jí 0.005
Ti
í 0.000
¿ -0.005
O
-0.010 -0.015 -0.020 -0.025 -0.030 -0.035 -0.040
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 p/MPa
Рисунок 3. Сравнение отклонения экспериментальных pexp и расчетных pcai значений плотности [BMIM][NTf2] от давления p при T = (273.15 - 413.15) K вычисленных из уравнений 6-8 K: ♦, 273.15 K; ■, 283.15 K; 293.15 K; ▼, 298.15 K; *, 313.15 K; О, 333.14 K; □, 353.16 K; А, 373.15 K; V, 393.15 K; 413.15 K.
ЛИТЕРАТУРА
1. Anthony J. L. Maginn E. J. Brennecke J. F. Solubilities and Thermodynamic Properties of Gases in the Ionic Liquid 1-n-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 7315-7320.
2. Bagno A., Butts C., Chiappe C., D'Amico F., Lord J.C.D., Pieraccini D., Rastrelli F. The effect of the anion on the physical properties of trihalide-based N,N-dialkylimidazolium ionic liquids, Org. Biomol. Chem., 2005, 3, 1624 - 1630.
3. Valkenburg, M.E.V., Vaughn, R.L., Williams, M., Wilkes, J.S. Thermochemistry of ionic liquid heat-transfer fluids, ThermochimicaActa2005, 425, 181-188.
4. Kim, K.-I., Shin, B.-K., Ziegler, F. Ionic Liquids as new working fluids for use in absorption heat pumps or chillers: Their thermodynamic properties, XV International Symposium of Thermophysical Properties, Colorado, U.S.A., 2003, p.292.
5.Dupont, J., "On the Solid, Liquid and Solution Structural Organization of Imidazolium Ionic Liquids". J.Braz.Chem.Soc.2004, 15(3), 341-350.
6. Safarov, J., Hamidova, R., Zepik, S., Schmidt, H., Kul, I., Shahverdiyev, A., Hassel, E. Thermophysical Properties of 1-hexyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide at high temperatures and pressures, J. Mol. Liq. 2013, 187, 137-156.
7. Safarov J., Millero F.J., Feistel R., Heintz A. Hassel E. Thermodynamic properties of standard seawater: extensions to high temperatures and pressures, Ocean Science 2009, 5, 235-246.
8. Sanmamed Y.A., González-Salgado D., Troncoso J., Romani L., Baylaucq A., Boned C. Experimental methodology for precise determination of density of RTILs as a function of temperature and pressure using vibrating tube densimeters, J. Chem. Thermodynamics 2010, vol. 42 , p. 553-563.
