CC BY
5
УДК 66.083
Гордионок И.А., Суслова Е.Н., Лебедев А.Е.
ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧИХ ЛИНИЙ ПРОЦЕССА ЗАМЕНЫ РАСТВОРИТЕЛЯ В ОРГАНИЧЕСКИХ АЭРОГЕЛЯХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Гордионок Ирина Андреевна - студент бакалавр 3 курса факультета цифровых технологий и химического инженеринга; irina.gordionok@yandex.ru;
Суслова Екатерина Николаевна - аспирант 2 года обучения факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, заведующий лабораторией кафедры химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ им. Д. И. Менделеева;
Лебедев Артем Евгеньевич - к.т.н., старший научный сотрудник кафедры химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ им. Д. И. Менделеева.
С помощью языка программирования Python были построены рабочие линии процесса замены растворителя под давлением через гомогенную область фазовой диаграммы системы «изопропанол - вода - диоксид углерода». Были проведены экспериментальные исследования процесса замены растворителя в органических гелях под давлением с применением полученных расчетных данных.
Ключевые слова: гелеобразование, альгинат натрия, фазовая диаграмма, равновесие, рабочая линия
CONSTRUCTION OF WORKING LINES OF THE SOLVENT REPLACEMENT PROCESS IN ORGANIC GALS UNDER PRESSURE
Gordionok I.A., Suslova E.N., Lebedev A.E.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
Using the Python programming language, the working lines of the solvent replacement process under pressure were constructed through the homogeneous region of the phase diagram of the isopropanol - water - carbon dioxide system. Experimental studies of the solvent replacement process in organic gels under pressure were carried out using the calculated data obtained.
Key words: gelation, sodium alginate, phase diagram, equilibrium, working line
Введение
Аэрогель - твёрдый материал, состоящий вплоть до 99% из воздуха. В связи с этим аэрогели обладают высокой пористостью, низкой плотностью и высокой удельной площадью поверхности [1]. Также, благодаря своему строению, данные материалы имеют низкие коэффициенты теплопроводности и преломления света [2].
По типу исходного вещества аэрогели классифицируют как органические, неорганические и гибридные. К органическим относятся аэрогели на основе органических соединений, например, альгината натрия. Получение аэрогелей на основе альгината натрия происходит в несколько этапов: получение гелей, замена растворителя и сверхкритическая сушка. Для получения частиц гелей водный раствор альгината натрия прокапывают в сшивающий агент - СаСЬ. Гелеобразование происходит из-за сшивки бивалентных катионов кальция с цепями альгината натрия.
Следующим этапом проводят ступенчатую замену растворителя. Поскольку вода не смешивается со сверхкритическим диоксидом углерода, перед процессом сверхкритической сушки необходимо заменить воду внутри гелевой структуры растворителем, который образует гомогенную систему со сверхкритическим диоксидом углерода[3].
При замене растворителя могут возникать напряжения и разрушение пор из-за градиента концентрации, так как растворитель и вода имеют разные поверхностные натяжения. Поэтому замена
растворителя проводится поэтапно со ступенчатым повышением концентрации растворителя - 10-30-5070-90-100-100-100 масс%. В связи с этим данный этап занимает большое количество времени, вплоть до 4 дней. Поэтому, чтобы сократить это время, предлагается проводить замену растворителя в аппарате высокого давления для сверхкритической сушки. Данный способ проведения замены растворителя позволит сократить время и ресурсы при производстве органических аэрогелей [4].
При замене растворителя под давлением образуется трёхкомпонентная система «изопропанол -вода - диоксид углерода». В данном исследовании разработан программный комплекс для проведения ступенчатой замены растворителя под давлением через гомогенную область фазовой диаграммы трёхкомпонентной системы.
Теоретическая часть
Каждый шаг процесса замены растворителя под давлением состоит из этапов повышения концентрации изопропанола в системе и удаления части трехкомпонентной смеси из аппарата для освобождения места для последующих шагов процесса. Алгоритм расчета теоретических рабочих линий основан на определении необходимого количества шагов и пределов возможных изменений концентраций каждого вещества трехкомпонентной системы. Блок-схема алгоритма, реализованного на языке программирования Python представлена на рисунке 1.
^^^ Качало _ -if
' d, Pci, ti)i. Mi, xi,Texp, Рехд
piexpmipaexR mh2cexp(0),j = □
Номер стадии,
inn ax
Расчет мольных долей помп ометов с использованием плотностей
£
Ввод массы С02
J
Растет массы компонентов в автоклаве после слива
i
Расчет массы в жя помпоне нтов
i
i ~ + 1
Рис. 1. Блок-схема алгоритма построения рабочей линии процесса замены раствора в гелях под давлением
Исходные данные, необходимые для расчета: параметры веществ, образующих трехкомпонентную систему (Ткр1 - критическая температура, Ркр1 -критическое давление, ю, - ацентрический коэффициент и М, - молярная масса). Эти данные необходимы при определении свойств системы на каждом шаге замены растворителя с помощью уравнения состояния Пенга-Робинсона с правилами смешения для многокомпонентных систем Ван-Дер-Ваальса.
При реализации алгоритма были получены точные значения количества веществ, необходимые на каждом шаге и этапе процесса замены
растворителя под давлением, с помощью которых проводились экспериментальные исследования. Благодаря алгоритму можно определить состав системы на каждой стадии замены растворителя и количество этапов, необходимое для достижения 100% масс. изопропанола в системе «изопропанол -вода».
На основании полученных данных о мольных концентрациях веществ, полученных на каждой стадии замены растворителя, строится рабочая линия на фазовой диаграмме трёхкомпонентной системы «изопропанол - вода - диоксид углерода» (рисунок 2).
О 10 20 30 40 50 60 70 80 00 100 О 10 20 30 40 50 60 70 80 00 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 00 100
Вода Экепеоимент 1
Вода Эксперимент 2
Вода Эксперимент 3
100
0 10 70 30 40 50 60 70 80 90 100 О 10 20 30 40 50 60 70 80 00 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Вода Вода
Эксперимент 4 Эксперимент 5 Эксперимент 6
Рис. 2. Фазовые диаграммы процесса замены растворителя под давлением: примеры построения рабочих
линий на языке программирования Python
Далее были проведены экспериментальные исследования замены растворителя под давлением с использованием полученных рабочих линий процесса.
Экспериментальная часть
Для проведения экспериментальных
исследований были приготовлены 1 масс% водные растворы альгината натрия. Далее растворы смешивали с карбонатом кальция в пропорциях 1:0.189 масс% и помещали на сутки в аппарат высокого давления для проведения процесса гелеобразования при давлении 50 бар и комнатной температуре. Затем проводили замену растворителя в полученных гелях под давлением в том же аппарате под давлением с использованием рабочих линий, построенных ранее (рисунок 1).
Процесс замены растворителя под давлением состоит из подачи растворителя, в данном случае изопропанола, и удалении части смеси для освобождения места в аппарате и дальнейшей замены растворителя. Далее необходимое количество изопропилового спирта и диоксида углерода определяется с помощью алгоритма. После завершения всех стадий замены растворителя гели оставались в аппарате на ночь и далее проводилась их сверхкритическая сушка.
В таблице 1 приведены расход веществ процесса замены растворителя под давлением.
Таблица 1. Расход веществ и усадка гелей при _замене растворителя под давлением
Номер Расход Расход диоксида
эксперимента изопропанола, г углерода, г
1 765 800
2 530 813
3 446 856
4 424 783
5 368 704
6 217 243
Таким образом, из полученных данных можно сделать вывод, что обмен растворителями в однофазной системе с наименьшим расходом растворителей возможен, когда рабочая линия процесса находится как можно ближе к линии разделения фаз на фазовой диаграмме.
Заключение
По исследованию, приведённому в данной статье, можно сделать вывод, что замена растворителя в гелях под давлением сокращает время процесса. К тому же можно получать аэрогели с небольшой усадкой до 6%. Благодаря программному комплексу, созданному с помощью языка программирования Python, можно построить рабочую линию процесса замены растворителя в аппарате высокого давления, рассчитать нужные массы подачи спирта и диоксида углерода.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России, FSSM-2020-0003.
Список литературы
1. (PDF) Chemistry of Aerogels and Their Applications [Electronic resource]. URL: https://www.researchgate.net/publication/11038216_Che mistry_of_Aerogels_and_Their_Applications (accessed: 26.05.2022).
2. Smirnov B.M. Aerogels // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 1987. Vol. 152, № 5. P. 133.
3. Gurikov P. et al. A novel approach to alginate aerogels: carbon dioxide induced gelation // RSC Adv. 2015. Vol. 5, № 11. P. 7812-7818.
4. Lovskaya D.D., Lebedev A.E., Menshutina N.V. Aerogels as drug delivery systems: In vitro and in vivo evaluations // The Journal of Supercritical Fluids. 2015. Vol. 106. P. 115-121.
