CC BY
18
УДК 66.08
Артемкина Ю.М., Коваленко Л.В., Короткова Е.Н., Костюченко И.О., Щербаков В.В.
ПОГЛОЩЕНИЕ МИКРОВОЛНОВОЙ ЭНЕРГИИ ВОДНЫМ РАСТВОРОМ НИТРАТА ЛИТИЯ НА ЧАСТОТЕ 2455 МГЦ
Артемкина Юлия Михайловна, кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии, email: [email protected].
Коваленко Леонид Владимирович, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и технологии биомедицинских препаратов, [email protected]
Короткова Екатерина Николаевна, ассистент кафедры общей и неорганической химии, [email protected], Костюченко Илья Олегович, студент магистратуры факультета естественных наук, [email protected], Щербаков Владимир Васильевич, доктор химических наук, профессор, декан факультета естественных наук, email: [email protected].
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия;
На частоте 2455 МГц исследовано поглощение микроволновой энергии концентрированными водными растворами нитрата лития. Показано, что с повышением концентрации скорость высокочастотного нагревания исследованных растворов проходит через минимум. Существование этого минимума может быть связано с уменьшением теплоемкости раствора при увеличении его концентрации.
Ключевые слова: микроволновый нагрев, водные растворы, нитрат лития диэлектрические свойства
PECULIARITIES OF ABSORPTION OF MICROWAVE ENERGY OF LITHIUM NITRATE AQUEOUS SOLUTION
Artemkina Yu.M., Kovalenko L.V., Korotkova E.N., Kostutchenko I.O., Shcherbakov V.V. D. Mendeleev University of Chemical Technologv of Russia, Moscow, Russia,
At a frequency of 2455 MHz, the absorption of microwave energy by concentrated aqueous lithium nitrate solutions was studied. It is shown that the rate of high-frequency heating of the solutions under study passes through a minimum with increasing concentration. The existence of this minimum may be due to a decrease in the heat capacity of the solution as its concentration increases.
Keywords: microwave heating, aqueous .solutions, lithium nitrate, dielectric properties
Сверхвысокочастотные (СВЧ) технологии широко используются в настоящее время в научных исследованиях [1] ив химической технологии [2]. При воздействии электромагнитного излучения СВЧ диапазона на вещество, находящееся в различном агрегатном состоянии, в результате теплового и специфического воздействия микроволновой энергии происходит значительное ускорение химических процессов. Изменяя различные параметры СВЧ облучения, можно избирательно воздействовать на компоненты реакционной смеси. Для эффективного использования СВЧ облучения в химии и в химической технологии необходимо установить оптимальные условия поглощения микроволновой энергии реакционной системой и установить связь между удельными электрическими характеристиками реакционной смеси и поглощаемой СВЧ мощностью. Это, в первую очередь, касается жидких смесей, в которых протекает значительное количество химических процессов.
В работах [3-7] были проведены исследования высокочастотного нагревания индивидуальных и смешанных полярных растворителей на частоте 2455 МГц. В этих работах была установлена связь скорости СВЧ-нагрева V с диэлектрическими характеристиками жидких непроводящих систем. Установлено, что скорость V
тем выше, чем больше определяемая диэлектрическими характеристиками
высокочастотная (ВЧ) электропроводность (ЭП) полярного растворителя [3-5]. Показано, в частности, что при увеличении концентрации неэлектролита скорость величина V проходит через максимум [6-7]. Появление этого максимума обусловлено существованием в водно-органических смесях максимума ВЧ ЭП смешанного растворителя [8-10]. В результате в работах [11,12] были сформулированы оптимальные условия СВЧ-облучения реакционных непроводящих систем -максимальное поглощение наблюдается в водных растворах неэлектролитов, ВЧ проводимость которых наибольшая. В настоящей работе на частоте 2455 МГц изучено поглощение микроволновой энергии водным раствором нитрата лития.
Методика эксперимента. Поглощение микроволновой энергии водным раствором нитрата лития исследовалось с использованием микроволновой системы Discover Bench Mate [3]. ВЧ-мощность установки составляла 10 Вт. В специальный сосуд с магнитной мешалкой помещалось 5 мл исследуемого раствора. Контроль температуры обеспечивается бесконтактным инфракрасным датчиком. В процессе эксперимента через каждые 10 секунд снимались значения температуры до окончания процесса ВЧ-нагрева (80
секунд). Для определения скорости ВЧ-нагревания различных по составу растворов анализировались графики температуры t от времени т:
t = tn + кт.
(1)
В уравнении (1) to - начальная температура раствора.
Для проверки воспроизводимости кривых t=f(т) исследование каждого раствора повторялось 2 - 3 раза. Полученная скорость ВЧ нагревания У=к сравнивалась со скоростью ВЧ нагрева воды. При этом кривая ВЧ-нагревания воды снималась в начале и в конце каждой серии эксперимента. Анализ результатов ВЧ-нагревания воды дал следующую величину скорости ее нагревания V:
V (Н2О)= 0,300 ± 0,009 град/с.
(2)
Относительная ошибка определения V (Н2О) не превышает 3%.
Результаты эксперимента и их обсуждение.
В работе было исследовано поглощение микроволновой энергии разбавленными и концентрированными растворами LiNO3 и KCl. На рис. 1 приведены кривые ВЧ-нагревания воды и растворов LiNO3 различного состава.
О
20
¿10
60
т, с
80
Рис. 1. Кривые ВЧ нагревания воды (1) и водных растворов LiNOз; концентрация (моль/л): 2 - 1,0; 3 - 3,0; 4 - 6,0; 5 - 8,0
Как видно из представленных кривых, наблюдается практически линейная зависимость температуры раствора от времени ВЧ-облучения, что позволяет определить скорость ВЧ-нагрева, уравнение (1).
Зависимость скорости ВЧ нагревания V водных растворов LiNO3 от их молярной концентрации С приведена на рис. 2. При повышении концентрации электролита величина V проходит через пологий минимум. Следует отметить, что скорость нагревания 8 М раствора нитрата лития практически равна скорости нагревания дистиллированной воды.
Рис. 2. Зависимость скорости ВЧ нагревания водных растворов LiNO3 от концентрации
Равенство скоростей нагревания чистой воды и концентрированного (8 М) раствора нитрата лития не означает, что чистый растворитель и концентрированный раствор одинаково поглощают микроволновую энергию. При одинаковых скоростях нагревания раствора и растворителя количество поглощенной теплоты 8 М Q раствором LiNO3 будет меньше, чем чистым растворителем. Величина Q определяется выражением:
Q = V Ср р, Дж-см-3-с-1, (3)
в котором V - скорость ВЧ нагревания, Ср - удельная теплоемкость раствора, р - его плотность.
Поскольку теплоемкость раствора электролита уменьшается при повышении концентрации [13], то концентрированный раствор LiNO3 будет менее интенсивно поглощать микроволновую энергию.
Поглощаемая веществом микроволновая энергия прямо пропорциональна величине активной составляющей его комплексной ВЧ ЭП к' и напряженности поля Е [14]:
Р = к' Е2.
(4)
Таким образом, чем больше ВЧ ЭП вещества к', тем интенсивнее это вещество будет поглощать энергию СВЧ поля. Величина ВЧ ЭП определяется диэлектрическими характеристиками раствора, в частности его статической диэлектрической проницаемостью (ЦП) и временем дипольной диэлектрической релаксации т и зависит от круговой частоты электромагнитного поля ю. В дипольной релаксационной области зависимость ВЧ ЭП от параметров &;, т и ю описывается выражением [15]:
к =-
(шт)2
т 1 + (шт)2
(5)
В выражении (5) ео - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
При увеличении концентрации водного раствора электролита наблюдается уменьшение
статической ДП и времени диэлектрической релаксации [16]. При этом, рассчитанная на частоте 2455 МГц по уравнению (5) ВЧ ЭП также уменьшается с ростом концентрации электролита в растворе. В случае водного раствора NaCl, например, к' 4 М раствора в три раза меньше, чем к' воды [15]. Проведенная нами оценка величины к' водных растворов LiNO3 на частоте 2455 МГц на основе справочных данных по диэлектрическим свойствам [16] с использованием уравнения (5) показала, что с увеличением концентрации нитрата лития также как и в случае раствора NaCl наблюдается уменьшение его ВЧ ЭП. Это уменьшение и вызывает, по нашему мнению, снижение с ростом концентрации скорости ВЧ нагревания раствора в области концентрации 0 - 4 моль/л.
Список литературы
1. Lindstrom P., Tiernev J., Wathev B., Westman J. //Tetrahedron. 2001. V. 57. P. 9225-9283.
2. Бердоносов С.С., Бердоносова Д.Г., Знаменская И.В.//Химическая технология. 2000. №3. С. 2.
3. Артемкина Ю.М., Щербаков В.В. Поглощение энергии СВЧ излучения полярными растворителями на частоте 2450 МГц // Химическая промышленность сегодня. 2012. № 12. С. 21-24.
4. Артемкина Ю.М., Короткова Е.Н., Поливанова А.Г., Коваленко Л.В., Щербаков В.В. Поглощение микроволнового излучения водными растворами некоторых спиртов //Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. № 2 (151). С. 114-116.
5. Артемкина Ю.М., Коваленко Л.В., Короткова Е.Н., Поливанова А.Г., Щербаков В.В. Особенности поглощения микроволновой энергии некоторыми полярными растворителями на частоте 2455 Мгц //Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2015. Т. 58. № 3. С. 35-38
6. Артемкина Ю.М., Коваленко Л.В., Короткова Е.Н., Поливанова А.Г., Щербаков В.В. Исследование высокочастотного нагревания некоторых водных растворов электролитов и неэлектролитов // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27. № 2 (142). С. 9-15.
7. Короткова Е.Н., Поливанова А.Г., Коваленко Л.В., Артемкина Ю.М., Щербаков В.В. Особенности
поглощения электромагнитной энергии водными растворами на частоте 2455 МГц. II. Растворы неэлектролитов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2014. Т. 57. № 7. С. 66-69.
8. Артемкина Ю.М., Кузнецов Н.М., Талалаев Ф.С., Щербаков В.В. Высокочастотная проводимость некоторых водных растворов неэлектролитов на частоте 2450 МГц // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27. № 2 (142). С. 61-66.
9. Щербаков В.В., Артемкина Ю.М., Короткова Е.Н. Высокочастотная электропроводность смесей воды с ацетоном, диметилсульфоксидом и карбамидом // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 3. С. 322.
10. Артемкина Ю.М., Щербаков В.В., Короткова Е.Н. Высокочастотная проводимость смесей воды с метанолом, этанолом и пропанолом // Электрохимия. 2015. Т. 51. № 2. С. 211.
11. Артемкина Ю.М., Короткова Е.Н., Иваненко Е.С., Щербаков В.В. высокочастотная электропроводность и оптимальные условия воздействия микроволнового облучения на процессы, протекающие в полярных растворителях // В книге: Химическая технология и биотехнология новых материалов и продуктов. VI Международная конференция Российского химического общества имени Д.И. Менделеева: тезисы докладов. 2014. С. 5-8.
12. Щербаков В.В., Артёмкина Ю.М. Применение СВЧ-облучения для интенсификации химических процессов, протекающих в полярных растворителях // Химическая технология. 2013. Т. 14. № 5. С. 297303
13. Василев В.А. Расчет плотности и теплоемкости водных растворов неорганических соединений. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева. 1979. 48 с.
14. Нетушил А.В., Жуховицкий Б.Я., Кудин В.Н., Парини Е.П. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. -М.-Л.: Госэнергоиздат. 1959.
15. Щербаков В.В., Артемкина Ю.М., Короткова Е.Н. Диэлектрические характеристики и высокочастотная проводимость системы хлорид натрия - вода // Журнал неорганической химии. 2014. Т. 59. № 9. С. 1153.
16. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства бинарных растворов. -М.: Наука. 1977. -400 с.
