CC BY
81
УДК 54.03:542.61
О некоторых способах изучения физических свойств растворителей
В. Н. Марков, канд. техн. наук, Ш. К. Тагиев, А. В. Ефимов, А. Н. Лисицын, д-р техн. наук Всероссийский научно-исследовательский институт жиров
Растворители используются во многих отраслях промышленности, в том числе и в масложировой, в качестве экстрагентов с целью получения продуктов. Для выбора целевых растворителей и разработки технологий необходимо знание их физических свойств. Соответствующие данные не всегда имеются в информационном поле. В настоящей статье мы приводим некоторые приёмы определения физических свойств растворителей, да и просто жидкостей, которые требуется использовать при проведении исследовательской работы.
Так, значение величины краевого угла смачивания показывает способность растворителя проникать в капилляры пористого тела.
Другой важной физической характеристикой растворителей является его плотность. Как известно, плотность химически чистых веществ зависит от температуры, а различных смесей - ещё и от массовых долей составляющих веществ.
Определение краевого угла смачивания методом измерения высоты столба жидкости в капилляре
В качестве исходных материалов необходимы: стеклянный капилляр К, с внутренним диаметром d = 1,05 мм; стеклянный стакан объёмом 100 мл; цифровая фотокамера и компьютер.
Испытуемыми жидкостями служили: изопропиловый спирт (изопро-панол или пропан-2-ол) 100%-ный, или 99,9%-ный; этиловый спирт (этанол) 96%-ный; гексановый растворитель «Нефрас» (по ТУ38.1011228-90); вода дистиллированная.
Для проведения определения в стакан объемом 100 мл опускали и закрепляли капилляры, длина которых существенно превышала высоту стакана с жидкостью. Затем в него плавно наливали испытуемую
жидкость до краев, до получения мениска по кромке стакана. Статическая картина фиксировалась фотосъемкой.
Обязательное условие: центр объектива по вертикали совмещали с уровнем верхнего края стакана. Затем на экране компьютера при большом увеличении измеряли высоту подъема жидкости в капиллярах по нижнему краю мениска (впадины).
Получение расчетных данных
Для расчета косинуса краевого угла смачивания и краевого угла смачивания применялась формула
Cos® = h-p-g-d/ 4а,
где ® - краевой угол смачивания - расчетная искомая величина, град; h - высота столба подъема жидкости - измеряемая величина, м; p - плотность жидкости - табличная величина, кг /м3 [1-10]; g - ускорение свободного падения - константа, 9,8067м/ с2; d - внутренний диаметр капилляра - измеряемая величина, м; а - коэффициент поверхностного натяжения - табличная величина, Н / м [1-8].
Были получены следующие результаты экспериментов и расчетов.
Изопропиловый спирт
Cos® Из100 = 0,009060-785-103-•9,8067-0,00105 /4-21,7-Ю-3 =0,8437.
®Из100 = 32,47°.
Этиловый спирт
Cos0.Tiinqf = 0,00975-0,802-Ю3-•9,8067-о" 00105 /4-22,03 -Ю-3 = 0,913.
С1Г = 23,97°.
^ТИ n9lj '
Гексановый растворитель «Неф-рас»
Cos ®Г = 0,00946-0,6595-103-9,8067-•0,00105 /4-18,42-10-3 = 0,8719.
®Г = 29,32°.
Вода дистиллированная
Cos ®В = 0,01790-0,9982-103-9,8067-•0,00105 /4-72,75-10-3 = 0,6344.
®В = 50,62°.
Исходные данные и результаты расчетов сведены в таблицу.
Табличные данные параметров жидкостей: спирт изопропиловый -плотность и коэффициент поверхностного натяжения для 100%-ного раствора [1-5, 8]; спирт этиловый -плотность и коэффициент поверхностного натяжения для 96%-ного раствора [5-9]; гексановый растворитель - плотность и коэффициент поверхностного натяжения очищенного C6H14 [8] (принято по н-гексану); вода - плотность и коэффициент поверхностного натяжения для дистиллированной воды [1, 2].
Таким образом, в результате экспериментов и расчетов определены следующие значения и распределение растворителей по значениям краевых углов смачивания:
®Из100 = 32,47 О ® Этил96 = 23,97°
®Г = 29,32°, ®В = 50,62°;
сравнение величин краевых углов
®В > ®Из,00 > ®Г > ®Этил96.
Чем меньше значение величины краевого угла, тем проникающая способность лучше.
Следует заметить, что этот показатель определяет способность экс-трагента проникать в пористое тело и осуществлять контакт растворителя
Данные для расчета краевого угла смачивания*
Жидкость p, 10 3кг/ м3 а, 103 Н /м d, м h, м ®, градусы
Изопропил 100%-ный 0,7851 21,7 0,00105 0,00906 32,47
Этил 96%-ный 0,802 22,03 0,00105 0,00975 23,97
Гексан «Нефрас» 0,6595 18,42 0,00105 0,00946 29,32
Вода дистиллир. 0,9982 72,75 0,00105 0,01790 50,62
* При измерении и расчетах принимались следующие значения констант и условия для определения табличных параметров: измерения проводились при t = 20 °С; величина ускорения свободного падения д = 9,8067 м/с2.
INNOVATIVE TECHNOLOGIES AND RESEARCH METHODS
с целевым компонентом, содержащимся в пористом теле, а не растворять то или иное вещество.
Определение плотности изопропилового спирта и его водных растворов в зависимости от концентрации и температуры
В нашем случае выбранные для опытов водные растворы изопропилового спирта являются бинарными смесями, поэтому необходимо или пользоваться литературными источниками зависимости плотности от концентрации и температуры, или ставить эксперименты по их определению, если данные отсутствуют. В литературных источниках нами найдены данные по плотности изопропилового спирта в зависимости от концентрации [6] только при 20 °C. Данные по значениям плотностей изопропилового спирта в зависимости от температуры найдены в диапазоне температур только от 0 до 30 °С [8].
Для конкретного образца изопропилового спирта (ХЧ ТУ 2632-015-1129105) и требуемого температурного диапазона необходимо определить зависимость его плотности не только от концентрации его водных растворов, но и от температуры.
Методически это задача решается с помощью разработанной нами компьютеризированной установки «Архимед» по отработанной методике и программе с использованием модельного тела.
Исследовательский комплекс позволяет проводить постепенный нагрев образца жидкости в требуемом температурном диапазоне. Эталонное тело с известной плотностью материала, из которого оно изготовлено, подвешивается к нижней подвеске тензометрических аналитических весов и погружается в исследуемый образец жидкости. С помощью электронной части комплекса измеряется изменяющаяся масса модельного тела в жидкости тТж в результате изменения плотности исследуемой жидкости и производится запись первичных данных в режиме online.
По приведённым ниже формулам рассчитывается плотность либо жидкости, либо тела:
тт» 'т
,
'т
где VT - объём тела известного объёма, изготовленного из материала известной плотности, т. е. эталонного; рТ - плотность тела; рЖ - плотность испытуемой жидкости.
В результате дополнительно проведённой работы нами было выбрано эталонное тело с минимальным тепловым коэффициентом расширения (ТКР) и определены его характеристики:
материал - кварцевое стекло; ТКР -0,5х10-6 °С1; вес - 47,108 г; геометрическая форма - цилиндр диаметром 25,00 мм и высотой 43,52 мм; рассчитанный геометрический объём -21,364 см3; плотность - 2,205 г/см3.
Следует отметить, что весоизмерительная система компьютеризированной установки измеряет результирующую сил: силы тяжести и выталкивающей силы Архимеда. Известно, что сила измеряется в системе СИ в Ньютонах. Масса тела, измеряемая в граммах, является физической характеристикой модельного тела и не меняется в условиях проводимых экспериментов. Для удобства восприятия мы приводим получаемые данные по измерению массы тела в жидкости в граммах, понимая, что измеряем результирующую силу.
Условия экспериментов по определению плотности водных растворов изопропилового спирта следующие: длительность - 40-50 мин; диапазон изменения температуры 21...70 °С; массовая концентрация растворов -№ 6-100 %, № 7-80%, № 8-70 %, № 9-60%. Поскольку в экспериментальной части работы нами применялась сквозная нумерация экспериментов независимо от их назначения, этим экспериментам присвоены указанные порядковые номера.
На рис. 1 приводятся зависимости изменения плотности водных растворов изопропилового спирта от концентрации и температуры, полученные в результате прямых измерений и расчетов; на рис. 2. -зависимости для сравнения плотностей 60%-ных водных растворов этилового и изопропилового спиртов от температуры.
Как следует из приведённых данных, изменение плотности изопропилового спирта и его водных растворов в зависимости от температуры
о.эо
0.83 0.88 ! 0.84 - 0.02 0.80 " 0.73 0.7В 0.74 0.72
6.100% -7 30% 8.70% 9_6t)%"
' 1
1 i
___!
\
1 3 ... 1 1
1 --.-.
..... ,J........._
20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 80.0 85.0 70.0
Температура, °С
Рис. 1. Изменения плотности водных растворов изопропилового спирта разных концентраций в зависимости от температуры
0,690 0.685
: 'l.ä Ü Г
5
г ¡. .■■ -В-Ц":
■ c.Ü:
: о.esc
>
0.640 0.835
Из опрспил60% ил60%
-ЭТ
i
.................[.................
4.
....................
4,
.....................!..................... —
25.0 ЭС.О 35.0 ID. О 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0
Температура, °С
Рис. 2. Сравнение плотностей водных растворов изопропилового и этилового спиртов концентрацией 60% в зависимости от температуры
носит практически линейный характер. Линии изменения плотности 60%-ных растворов этилового и изо-пропилового спиртов в зависимости от температуры практически параллельны, у раствора этилового спирта плотность несколько выше.
Таким образом, в настоящей статье приведены примеры определения значений некоторых физических величин для жидкостей, если затруднительно их найти в информационном поле.
В изученном диапазоне найдено изменение плотностей изопропило-вого спирта в зависимости от концентрации водных растворов и температуры. Зависимости носят линейный характер.
Определены и приведены значения краевых углов смачивания для этилового и изопропилового спиртов, воды, гексанового растворителя, позволяющие сравнивать их прони-
кающую способность в пористое тело при его пропитке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Краткий справочник физико-химических величин./Под ред. А. А. Рав-деля и А. М. Пономаревой, изд. 9. - СПб.: Специальная литература, 1998. - 232 с.
2. Краткий справочник физико-химических величин/Под ред. А. А. Рав-деля, А. М. Пономарёвой. Изд. 10, испр. и доп. - СПб.: Иван Фёдоров, 2003. -С. 15. (плотность воды). - 235 с.
3. Справочник химика/ Под ред. Б. П. Никольского. - Л., М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, изд. 2-е. -Т. 5. - 1962. - 1015 с.
4. Handbook of Chemistry and Physics. Thirty-seven edition/Charles D., Hodgman M. S.. - Chemical Rubber Publishing Co., Cleveland, Ohio, part 2, 1955. - Р. 2005.
5. Химическая энциклопедия/ Под ред. И. Л. Кнунянц. - М.: Большая
россий-ская энциклопедия. - Т. 3. -1992. - С. 1170-1172.
6. Волков, А. И. Большой химический справочник / А. И. Волков, И. М. Жар-ский. - Минск: Современная школа, 2005. - 608 с.
7. Phaechamud, Т., Savedkairop, С. Contact Angle and Surface Tension of Some Solvents used in Pharmaceuticals./Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, - October - December 2012. -V. 3. - Issue 4. - Р. 513-529.
8. Ваграфтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей/ Н. Б. Ваграфтик. - М.: Издательство физико-математической литературы, 1963. - 708 с.
9. Таблицы для определения содержания спирта в водно-спиртовых растворах/Под тех. ред. С. Ф. Проворовской. -М.: Изд-во стандартов, 1972. - 364 с.
10. Таблицы для определения содержания этилового спирта в водно-спиртовых растворах. - М.: Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1972. - 364 с.
О некоторых способах изучения физических свойств растворителей
Ключевые слова
исследовательский комплекс; краевой угол смачивания; плотность; физические свойства; эталонное тело
Реферат
Задачей проведенных исследований являлось изучение некоторых физических свойств растворителей, значения величин которых не обнаружились в доступном информационном поле. Важными физическими величинами, определяющими свойства растворителей, являются, например, плотность и краевой угол смачивания. Знание значений этих физических величин для растворителей, которые применяются или, возможно, будут применяться при проведении экстракционных процессов целевых компонентов из твёрдой фазы, может предварительно помочь оценить пригодность их к решению поставленной задачи. Например, плотность растворителя определяет возможность погружения твёрдой экстрагируемой фазы в растворитель. Краевой угол смачивания определяет способность растворителя проникать в поры экстрагируемого материала. Плотность жидкостей определяли следующим образом. Методически это задача решается с помощью разработанной нами компьютеризированной установки по отработанной методике и программе с использованием модельного тела. Исследовательский комплекс позволяет проводить постепенный нагрев образца жидкости в требуемом температурном диапазоне. Эталонное тело с известной плотностью материала, из которого оно изготовлено, подвешивается к нижней подвеске тензометрических аналитических весов и погружается в исследуемый образец жидкости. С помощью электронной части комплекса производится измерение изменения веса модельного тела в жидкости в результате изменения плотности исследуемой жидкости и производится запись первичных данных в режиме оп-Ппе. Краевой угол смачивания определяли капиллярным методом с последующим расчетом по общеизвестным формулам. Для определения расчетом краевого угла смачивания необходимо измерение высоты поднятия жидкости в капилляре известного диаметра. Дляэтого производилась фотосъёмка с увеличением снимка на компьютере, что позволило визуально измерить высоту поднятия растворителя в капилляре в результате его пропитки. В результате проведённой работы, найдены зависимости изменения плотности водных растворов изопропилового спирта от температуры. Найдены значения краевых углов смачивания для этилового и изопропилового спиртов, гексанового растворителя и воды при заданных условиях.
Авторы
Марков Владимир Николаевич, канд. техн. наук, Тагиев Шафи Камильевич, Ефимов Андрей Владимирович, Лисицын Александр Николаевич, д-р техн. наук, Всероссийский научно-исследовательский институт жиров, 191119, г. Санкт-Петербург, ул. Черняховского, д. 10, vegoils@vniig.org
About Some Ways of Solvent Physical Properties Studies
Key words
esearch complex; contact angle of wetting; density; physical properties; referencebody
Abstracts
Objective of the research was the study of some physical properties of solvents, the values for which have not been found in the accessible information field. Important physical values which determine the properties of solvents are, for example, density and contact angle of wetting. Knowledge of these physical values for the solvents which are used or will, possibly, be used in the processes of target components extraction from the solid phase, can help pre-assessing their suitability for solving the problem set. For example, density of the solvent determines the possibility of the solid extractable phase immersion into the solvent. Contact angle of wetting determines the ability of the solvent to penetrate into pores of the extracted material. Density of liquids was determined as follows. Methodologically, this task is solved by means of a computerized unit developed by us following the established procedure and software using a model body. The research complexallows gradualheating of the liquidsamplein the requiredtemperature range. A referencebody with the known densityof the material fromwhich it is madeis suspended to the lower suspensionof the strain-gaugeanalytical balanceand immersedinto the investigated liquid sample. Using the electronic partof the complex, change of the modelbodyweight in liquid is measured as a result of changingdensity ofthe investigated liquid,and primary data are recordedin the on-linemode. Contact angle of wetting was determined bythe capillary method followed by calculation using the well-knownformulas. For calculating the contact angle of wetting, it is necessary to measure the height of liquid risein a capillary of the known diameter. For this purpose, photographing was made with image magnification on the computer, which allowed visual measurement of the height of solvent risein the capillaryas a result of its impregnation. Due tothe accomplished work, dependences of density changes of aqueous solutionsof isopropyl alcoholon temperature were found. Values ofcontact angles of wetting were obtained for ethyl andisopropylalcohol, hexanesolvent and waterunder given conditions.
Authors
Markov Vladimir Nikolaevich, Candidate of Technical Science, Tagiev Shafi Kamilyevich, Efimov Andrey Vladimirovich, Lisitsyn Alexandr Nikolaevich, Doctor of Technical Science, All-Russian Research Institute of Fats, 10, Chernyakhovskogo St., St. Petersburg, 191119, vegoils@vniig.org
