Сравнительное определение растворимости азотосодержащих газов в перфтордекалине Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.061.12

А.В. Хорошилов*, А.В. Мошняга, Д.И. Селиванова, М.П. Семяшкин, В.В. Мельников

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: avkhor@inbox.ru

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТВОРИМОСТИ АЗОТОСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ В ПЕРФТОРДЕКАЛИНЕ

Представлены результаты экспериментального определения растворимости азотосодержащих газов (закись азота, аммиак) в перфтордекалине (ПФД). Показано, что наибольшая растворимость, выраженная мольным отношением, имеет место для закиси азота и равна (0,38 ± 0,04) моль N^/моль ПФД при температуре (290 ± 2) К и давлении (99 ± 5) кПа.

Ключевые слова: закись азота, аммиак, перфтордекалин, растворимость газов, фазовое равновесие, мольное отношение, влияние давления и температуры.

Первые эксперименты по определению растворимости молекулярного азота в перфтордекалине (ПФД) [1], в которых обоснован выбор этого фторорганического растворителя и представлены опытные данные, подтверждающие корректность использованной методики измерения растворимости газа в жидкости, продолжены для дальнейшего исследования растворимости в перфтордекалине различных азотосодержащих газов. В качестве азотосодержащих газов выбраны аммиак, закись азота и молекулярный азот. В качестве основных критериев выбора принята экологически меньшая по сравнению с оксидом и диоксидом азота опасность потенциальных производств изотопа (молекулярный азот и закись азота), а также доступность и стоимость используемых газов (аммиак). Кроме того, следует отметить, что сведений о применении закиси азота для разделения изотопов азота в литературе не найдено, поэтому изучение

растворимости закиси азота представляет собой весьма интересную задачу.

Для определения растворимости

азотосодержащих газов в перфтордекалине использовалась методика порционного напуска газа через зеркало предварительно отдегазированной жидкости с последующим установлением равновесного состояния в ячейке для уравновешивания фаз (схема установки и методика исследований описаны в работе [1]).

Эксперименты по определению мольного отношения г, моль газа/моль ПФД, характеризующего растворимость газа в жидкости, выполнены для закиси азота при температуре Т = (290 ± 2) К с количеством перфтордекалина V = (28,0 ± 0,3) мл. При определении растворимости N2O в ПФД установлено пять равновесных состояний в диапазоне давления от 58 кПа до 100) кП. Условия и результаты экспериментов даны в табл. 1, а их обработка представлена на рис. 1.

Таблица 1. Результаты определения растворимости N2O в перфтордекалине при T = (290 ± 2) К

№ Рравн., кПа Число молей вещества, моль Мольное отношение r,

N2O ПФД моль ^О/моль ПФД

1 59,1+ 2,9 0,021т ± 0,0021 0,184 ± 0,019

2 70,8 ± 3,5 0,0255 ± 0,0025 0,21б ± 0,022

3 80,3 ± 4,0 0,0351 ± 0,0035 0,118 ± 0,001 0,298 ± 0,030

4 89,6 ± 4,5 0,0424 ± 0,0040 0,360 ± 0,03т

5 98,6 ± 4,9 0,0450 ± 0,0045 0,382 ± 0,039

£

В

«й О

5? |

о ™

vT

0,5 -г

0,4 о,3 0,2 од -О V

—(— 50

_1_I_1_

н— 100

—I 150

Р, кПя

Рис. 1. Зависимость мольного отношения г в системе N20 - раствор N20 в ПФД от давления Р при Т = (290 ± 2) К

Из рис. 1 следует, что зависимость г от давления имеет линейный характер и аппроксимируется с учетом данных регрессионного анализа [2] уравнением вида

r = (3,67 ± 0,5i)-1Q-3P

(1)

причем величина мольного отношения в исследованном диапазоне давления изменяется более чем в два раза, а значение г при давлении, близком к атмосферному, характеризует довольно высокую

растворимость N20 в перфтордекалине: г = (0,382 ± 0,039) моль №0/моль ПФД.

Влияние температуры и одновременно давления на равновесие в системе N20 - раствор N20 в ПФД исследовано в интервале Т = (293 - 328) К путем ступенчато-последовательного увеличения

температуры от 293 К до 328 К с фиксацией установившегося равновесного состояния в течение 1,5 ч, после чего температуру понижали таким же образом до исходного значения Т = 293 К (рис. 2).

95

90

(D 1=

сС ф X I

<и

о rz

ч:

85

80

75

70

328 К

313К

298 К

293 К

293 К

Рис. 2. Изменение давления в системе N2O -

—1-1-1-1-1-1-1

100 200 300 400 500 600 700 Времят, мин

■ раствор N20 в ПФД во времени в интервале температуры (293

Как видно из рис. 2, каждое равновесное состояние хорошо воспроизводится при подходе к равновесию с двух сторон: различие значений равновесного давления при каждом значении температуры не превышает 2,5 %, что укладывается в

■ 328) К

ошибку определения растворимости №0. Полученные при этом значения мольного отношения приведены в табл. 2, откуда следует постоянство г при изменении условий эксперимента.

Таблица 2. Значения мольного отношения для растворов N20 в ПФД при различных температуре и давлении

Т, К Рравн, кПа Число молей вещества, моль Г, моль ^О/моль ПФД

N2O ПФД

293 ± 1 77,6 ± 3,9 0,016б ± 0,0029 0,063 ± 0,001 0,263 ± 0,055

298 ± 1 78,4 ± 3,9 0,0165 ± 0,0029 0,262 ± 0,053

303 ± 1 79,9± 4,q 0,0164 ± 0,0029 0,26о ± 0,053

313 ± 1 83,9 ± 4,2 0,0162 ± 0,0029 0,256 ± 0,052

328 ± 1 88,1 ± 4,4 0,0159 ± 0,0028 0,251 ± 0,051

Аналогичные измерения выполнены для растворов NN3 в ПФД - табл. 3, 4. Сравнение измеренных при 293 К значений мольного отношения в этой системе с имеющимися литературными данными по растворимости аммиака в алифатических

спиртах [3, 4] показывает, что раствор NH3 в ПДФ сопоставим с растворами NH3 в ROH при давлении, близком к атмосферному. Возможно, газожидкостная система NH3 - раствор NH3 в ПФД представляет собой потенциально перспективную систему для концентрирования 15N.

Таблица 3. Условия и результаты эксперимента по определению мольного отношения для раствора NHз в ПФД

Т, К Число напусков газа Рравн, кПа Число молей вещества, моль

NH3 ПФД r, моль NHз/моль ПФД

293 ± 1 8 94,4 ± 4,7 0,0222 ± 0,0039 0,069 ± 0,001 0,319±0,067

Таблица 4. Значения мольного отношения для растворов NHз в ПФД при различных температуре и давлении

Т, К Рравн, кПа Число молей вещества, моль Г, моль NHз/моль ПФД

NH3 ПФД

293 ± 1 95,1 ± 4,8 0,0221 ± 0,0039 0,069±0,001 0,318 ± 0,067

298 ± 1 95,9 ± 4,8 0,0221 ± 0,0039 0,318 ± 0,067

303 ± 1 96,7 ± 4,8 0,022о ± 0,0039 0,317 ± 0,067

313 ± 1 98,5 ± 4,9 0,0219 ± 0,0039 0,315 ± 0,066

328 ± 1 101,6 ± 5,1 0,0217 ± 0,0038 0,312 ± 0,065

Что касается растворов закиси азота в перфтордекалине, то сравнение мольной растворимости в ПФД трех газообразных соединений азота (табл. 5) приводит к близким значениям для NH3

и N20, превосходящим растворимость N2 на два порядка, а с точки зрения числа г-атомов азота, определяющих перспективность той или иной системы газ-жидкость для разделения изотопов азота, N20 в 2-3 раза выше растворимости NN3.

Таблица 5. Растворимость азотсодержащих газов в перфтордекалине при Т = (293 ± 1) К и давлении Р = (95 - 100) кПа

Газообразное соединение G) Мольное отношение r Относительное изменение r, г-ат N /моль ПФД

моль G/моль ПФД г-ат N /моль ПФД

N2 0,0029 ± 0,000з* 0,0058 ± 0,000б* 1

NH3 0,319 ± 0,067 0,319 ± 0,067 55 ± 17

N2O 0,382 ± 0,039 0,764 ± 0,078 132 ± 27

по данным [1]

В целом, как показывает анализ равновесного азота и аммиака в перфтордекалине характеризуется состояния (табл. 2, 4 и рис. 2), исследования относительно высокими значениями, а растворимость растворимости азотосодержащих газов во N2O по числу г-атомов азота в ряду N2, NH3, N2O фторорганическом растворителе - перфтордекалине - максимальна.

вьш°лнены, с удовлетворительной надежностью и Исследования выполнены с использованием измеренные значения г не вызывают сомнения. При оборудования Центра коллективного пользования этом показано, что мольная растворимость закиси имени Д.И. Менделеева

Хорошилов Алексей Владимирович к.х.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Мошняга Алексей Владимирович аспирант кафедры химии технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Селиванова Дарья Игоревна выпускница кафедры химии технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Семяшкин Михаил Петрович студент кафедры химии технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Мельников Владимир Владиславович студент кафедры химии технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Мошняга А.В., Хорошилов А.В., Громова Д.М. Исследование растворимости молекулярного азота в перфтордекалине// Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. 2014. № 9. С. 19-22.

2. Статистическая обработка результатов анализа изотопов и особо чистых веществ физико-химическими методами: учебно-методическое пособие /сост. И. Л. Растунова. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. 48 с.

3. Хорошилов А.В., Чередниченко С.А., Зо Е Наинг Новые системы газ - жидкость для разделения изотопов азота методом химобмена // Перспективные материалы. 2010. Спец. вып. №8. С. 310-314.

4. Зо Йе Наинг Разделение изотопов азота методом химобмена с термическим обращением потоков: дисс. ... канд. техн. наук. М. 2014. С. 82-93.

Khoroshilov Alexey Vladimirovich*, Moshnyaga Alexey Vladimirovich, Selivanova Darya Igorevna, Semyashkin Mikhail Petrovich, Melnikov Vladimir Vladislavovich

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: avkhor@inbox.ru

COMPARATIVE DETERMINATION OF THE SOLUBILITY OF NITROGEN-CONTAINING GASES IN PERFLUORODECALIN

Abstract

The results of the experimental determination of the solubility of nitrogen-containing gases (nitrous oxide and ammonia) in perfluorodecalin (PFD) are presented. It is shown that the maximum solubility expressed molar ratio holds for nitrous oxide and is (0,38 ± 0,04) mole N2O /mol PPD at the temperature (290 ± 2) K and pressure (99 ± 5) kPa.

Keywords: nitrous oxide, ammonia, perfluorodecalin, gas solubility, phase equilibrium, the molar ratio, the effect of pressure and temperature.