CC BY
63
УДК 66.08
Ю.М. Артемкина*, Е.Н. Короткова, А.Г. Поливанова, Л.В. Коваленко, В.В.Щербаков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: yulyart@muctr.ru
ПОГЛОЩЕНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВОДНЫМИ РАСТВОРАМИ НЕКОТОРЫХ СПИРТОВ
На частоте 2455 МГц исследовано поглощение микроволнового излучения водными растворами метанола, этанола и пропанола. Установлено, что при повышении концентрации спирта в растворе скорость высокочастотного нагревания проходит через максимум, положение по оси концентраций которого совпадает с существованием максимума на зависимости высокочастотной проводимости исследованных систем.
Ключевые слова: микроволновый нагрев, водно-органические смеси, вода, метанол, этанол, пропанол, высокочастотная электропроводность.
В результате воздействия микроволнового излучения на твердые, жидкие и газообразные среды происходит существенное ускорение технологических процессов и значительное сокращение затрат [1]. Достоинством применения микроволнового облучения в химической технологии является равномерное поглощение высокочастотной (ВЧ) энергии по всему объему реакционной смеси. При этом, варьируя параметрами ВЧ облучения, можно избирательно воздействовать на различные компоненты смеси.
Значительное число химических процессов протекает в жидкой фазе, в частности, в воде и водных растворах. Для эффективного использования микроволновой энергии в химической технологии необходимо установить оптимальные условия поглощения этой энергии реакционной смесью. В работах [2, 3] на частоте 2455 МГц нами было исследовано поглощение микроволновой энергии водными растворами ацетона, ацетонитрила, диметилсульфоксида (ДМСО) и диметилформамида (ДМФА). В этих работах показано, что при повышении концентрации органической компоненты скорость ВЧ нагревания раствора проходит через максимум, положение которого по оси концентраций совпадает с максимумом на зависимости высокочастотной проводимости.
В настоящей работе на частоте 2455 МГц с использованием микроволновой системы Discover Bench Mate исследован процесс ВЧ нагревания водных растворов метанола, этанола и пропанола. В проведенных ранее [2, 3] опытах были установлены оптимальные условия ВЧ облучения водно-органических систем. В частности, при использовании реакционного сосуда объемом 5 мл и ВЧ-мощности 10 Вт за 1-1,5 минуты жидкость в пробирке нагревается до 50-70оС.
Анализ кривых зависимости температуры t от времени т показал, что в начальный период ВЧ-нагрева, продолжительность которого не
превышает 60-80 секунд, зависимость температуры t от времени т является практически линейной и описывается уравнением:
t = ^ + Ух, (1)
в котором: to - начальная температура раствора, V - скорость ВЧ-нагрева. Ошибка измерения скорости ВЧ-нагрева не превышает 3%.
На рис. 1 в качестве примера приведены кривые ВЧ нагревания воды и некоторых водных растворов метанола, а на рис. 2 и 3 - зависимости скорости ВЧ нагревания от состава смеси вода-спирт.
время, с
Рис. 1. Кривые ВЧ нагревания воды (1) и водных растворов метанола, содержащих 20 (2), 60 (3) и 80 (4) объемн. % спирта
Как следует из рис. 1, скорость ВЧ нагрева водно-метанольных растворов выше скорости ВЧ нагрева воды. Причем при повышении содержания спирта скорость изменяется не монотонно: на кривой «скорость - состав» имеется максимум при концентрации спирта ~ 40-50 объемных % и минимум, при содержании спирта ~ 70 объемных %. В водных растворах этанола и пропанола максимальная скорость ВЧ нагрева наблюдается при концентрациях ~ 30 объемн. %, а минимум -при ~ 60 объемн. % спирта (рис. 3).
0,5
0,4
V, град/с
0,3
0
25 50 75 100 объемный % метанола
Рис. 2. Зависимость скорости ВЧ нагревания водных растворов метанола от состава смеси
[4]. При этом положение максимума т по оси концентраций совпадает с экстремумом ВЧ ЭП на частоте 2455 МГц [2, 3]. В водных растворах спиртов, наблюдается монотонное увеличение времени дипольной релаксации с ростом содержания спирта [4-7]. В соответствии с этим для объяснения представленных на рис. 2 и рис. 3 закономерностей необходимо проанализировать зависимость ВЧ ЭП исследуемых систем от их состава.
В дипольной релаксационной области зависимость ВЧ ЭП (к) полярного растворителя от круговой частоты (ю) описывается выражением [8]:
к.
-■(сот)2
(2)
0 25 50 75 100
объемн. % спирта
Рис. 2. Зависимость скорости ВЧ нагревания водных растворов этанола (1) и пропанола (2) от состава смеси
Аналогичные экстремальные зависимости скорости ВЧ нагревания водно-органических растворов от концентрации органической компоненты нами установлены для смесей воды с ацетоном, ацетонитрилом, ДМСО и ДМФА [2, 3]. В этих растворах, как нами установлено, при повышении содержания органической
компоненты ВЧ электропроводность (ЭП) водно-органической смеси проходит через максимум. Следует отметить, что в смесях воды с ацетоном, ацетонитрилом, ДМСО и ДМФА экстремум ВЧ ЭП объясняется существованием максимума на зависимости времени дипольной диэлектрической релаксации т от состава водно-органической смеси
^ —__
1 + (<уг)2
в котором величина к» - предельная ВЧ ЭП полярного растворителя. Предельная ВЧ ЭП определяется отношением статической диэлектрической проницаемости (ДП) ея к времени диэлектрической релаксации т [9]:
к_ =
(3)
В таблице 1 приводятся значения времени дипольной диэлектрической релаксации т, предельной ВЧ ЭП к» и ВЧ ЭП к на частоте 2455 МГц смесей воды с метанолом, этанолом и пропанолом. Величины к рассчитывались по уравнению (2), а к» - по уравнению (3) на основе приведенных в работах [4-7] величин статической ДП ея и времени дипольной диэлектрической релаксации т воды, спиртов и водно-спиртовых растворов.
Таблица 1. Время дипольной диэлектрической релаксации т (пс), предельная ВЧ ЭП к»(См/м) и ВЧ ЭП к (См/м) на частоте 2455 МГц смесей воды с метанолом, этанолом и пропанолом; 1=25"С
Объемн. % спирта Вода-метанол Вода-этанол Вода-пропанол
т к» к т к» к т к» к
0 8,3 83,5 1,34 8,3 83,5 1,34 8,3 83,5 1,34
10 10,6 62,6 1,64 14,1 46,4 2,09 16,5 39,4 2,39
20 13,6 46,7 1,96 19,5 31,5 2,61 25,0 23,8 3,08
25 15,2 40,7 2,11 23,2 25,4 2,88 29,0 19,6 3,26
30 16,8 35,6 2,25 26,1 21,8 3,06 33,0 16,3 3,36
40 20,4 27,5 2,49 31,6 16,6 3,18 41,6 11,5 3,35
50 24,4 21,5 2,66 38,1 12,4 3,18 49,0 8,51 3,09
60 28,6 16,8 2,75 44,1 9,60 3,02 57,0 6,26 2,73
70 33,2 13,2 2,74 54,6 6,78 2,81 76,0 3,96 2,29
80 38,2 10,2 2,63 71,0 4,45 2,43 106 2,37 1,73
90 43,4 7,86 2,43 110 2,40 1,78 179 1,18 1,05
100 49,0 5,90 2,15 161 1,34 1,15 267 0,68 0,64
Как следует из приведенных в таблице 1 данных, при увеличении содержания спирта происходит снижение предельной ВЧ ЭП всех водно-органических растворов. Наблюдаемое
уменьшение к» обусловлено увеличением с ростом концентрации спирта времени дипольной диэлектрической релаксации т и понижением статической диэлектрической проницаемости £я
[6]. В то же время рассчитанная на частоте 2455 МГц ВЧ ЭП к с ростом содержания органической компоненты проходит через максимум, положение которого, совпадает с экстремумом на зависимостях скорости ВЧ нагревания растворов от их состава (рис. 2-3).
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что в смесях воды с метанолом, этанолом и пропанолом, также как и в
исследованных ранее смесях воды с ацетоном, ацетонитрилом, ДМСО и ДМФА [2, 3], максимальная скорость ВЧ нагревания наблюдается в растворах с наибольшей ВЧ проводимостью.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 14-2900194) Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева.
Артемкина Юлия Михайловна к.х.н., доцент кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Короткова Екатерина Николаевна аспирант кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Поливанова Анна Геннадьевна к.х.н., доцент кафедры химии и технологии биомедецинских препаратов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Коваленко Леонид Владимирович д.х.н., профессор, зав. кафедрой химии и технологии биомедецинских препаратов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Щербаков Владимир Васильевич д.х.н., профессор, декан факультета естественных наук РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
15. Бердоносов С.С., Бердоносова Д.Г., Знаменская И.В. //Химическая технология. 2000. №3. С. 2.
16. Артемкина Ю.М., Коваленко Л.В., Короткова Е.Н., Поливанова А.Г., Щербаков В.В. //Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Т. 27, № 2. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. С. 9.
17. Короткова Е.Н., Поливанова А.Г., Коваленко Л.В., Артемкина Ю.М., Щербаков В.В. //Известия вузов. Химия и хим. технология. 2014. В печати.
18. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства бинарных растворов. -М.: Наука. 1977. -400 с.
19. Petong P., Pottel R., Kaatze U. //J. Phys. Chem. A. 1999. V. 103. P. 6114.
20. Kaatze U., Schafer M., Pottel R. //Z. Phys. Chem. 1989. V. 165. P. 3292.
21. Petong P., Pottel R., Kaatze U. //J. Phys. Chem. A. 2000. V. 104. P. 7420.
22. Щербаков В.В. //Электрохимия. 1998. Т. 34. C. 1349.
23. Щербаков В.В. Артемкина Ю.М. //Журн. физ. химии. 2013. Т. 87. С. 1058.
Yuliyay Mikhaylovna Artemkina*, Ekaterina Nikolaevna Korotkova, Anna Gennad'evna Polivanova, Leonid Vladimirovitch Kovalenko, Vladimir Vasil'evitch Shcherbakov.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: yulyart@muctr.ru
ABSORPTION OF MICROWAVE RADIATION BY WATER SOLUTIONS OF SOME ALCOHOLS
Abstract
The absorption of microwave radiation by aqueous solutions of methanol, ethanol and propanol at frequency 2455 MHz was studied. It is established that an increase in the concentration of alcohol in solution speed, high-frequency heat passes through a maximum, the position of the axis concentration coincides with the existence of the maximum in the dependence of the high-frequency conductivity of the investigated systems.
Keywords: microwave heating, water-organic mixtures, water, methanol, ethanol, propanol, high-frequency conductivity.
