CC BY
119
УДК 532.133:547.781.4
А. Р. Габдрахманова, А. Ф. Ягфарова, Л. Р. Минибаева
ВЯЗКОСТЬ ВОДНОГО РАСТВОРА ИОННОЙ ЖИДКОСТИ [EMIM]Cl
Ключевые слова: ионная жидкость, вязкость.
Измерена вязкость водного раствора ионной жидкости [EMIM]Cl при концентрациях 40^80 масс. % и температурах 20^80°С при атмосферном давлении. На основе этих данных получена зависимость вязкости от температуры и концентрации в исследуемом диапазоне.
Keywords: ionic liquid viscosity.
Measured viscosity aqueous ionic liquid [EMIM]Cl at concentrations of 40 80 wt. % and a temperature of 20 ^ 80°C
at atmospheric pressure. Based on these data, the dependence of viscosity on temperature and concentration range studied.
Введение
Ионные жидкости (ИЖ) представляют собой новый класс веществ, которые рассматриваются в качестве замены традиционных органических компонентов. Они являются перспективными в различных областях, таких как рефрактометрия, электрохимические сенсоры, катализ и органический синтез, синтез полимеров, электрохимия, а также и в медицине [1-4]. Ионные жидкости получили широкое распространение благодаря своим свойствам, таким как низкая температура плавления, незначительное давление паров, негорючесть, высокая термическая стабильность, что позволяет работать с ними в широком диапазоне температур. Также ИЖ регенерируемые и их легко утилизировать. Кроме того их физико-химические свойства могут быть настроены соответствующим подбором катиона и аниона. Эти свойства делают их привлекательными особенно в развивающейся области зеленой химии [1,5].
Некоторые ионные жидкости гигроскопичны и наличие даже незначительного количества воды изменяет их физические свойства [6-14]. К таким относится исследуемая ионная жидкость [Бш1ш]С1, вязкость водного раствора которой изучается в данной работе. Обычно ионные жидкости являются вязкими, что объясняется в литературе образованием некоторой упорядоченной структуры (домены, цепочки, ионные пары, квазимолекулярные упаковки, ассоциаты) [1]. На вязкость также влияет и температура, так в работе [5] было установлено, что при увеличении температуры вязкость уменьшается, а при увеличении алкильной цепочки катиона имида-зольной ИЖ вязкость возрастает, например, у чистых ИЖ [С6ш1ш]С1 вязкость равна 18,089 мПа-с, а у [С8ш1ш]С1 равна 20,883 мПа-с [5].
Данные по вязкости ИЖ [Бш1ш]С1 ограничены свойствами чистой [Бш1ш]С1 [15-16], либо с небольшим содержанием воды [17] вследствие ее гигроскопичности. Однако для химической технологии интерес представляют смеси и растворы, в частности водные растворы, вязкость которых исследована в данной работе.
Методика эксперимента
Измерение вязкости ионной жидкости [Бш1ш]С1 при различных концентрациях 40^80% проводились на приборе вискозиметр капиллярный
стеклянный ВПЖ - 3. Устройство представляет собой капиллярную трубку с измерительным резервуаром, ограниченными двумя метками М1 и М2. Капиллярная трубка впаяна внутрь корпуса вискозиметра, имеющего два отвода. К прибору прилагается насадка с краном. Насадка соединяется конусом с корпусом.
Измерения вязкости при помощи вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара [18].
Вязкость жидкости определялась по формуле: ц=КТр (1)
К - постоянная вискозиметра, мм2/с, (К=0,5144, указывается в паспорте прибора),
1 - время истечения жидкости, с,
М - вязкость жидкости, мПа-с, р - плотность жидкости, г/см3.
Перед определением вязкости жидкости вискозиметр был тщательно промыт и высушен в лабораторном сушильном шкафу при 100°С.
При определении вязкости жидкости необходимо знать ее плотность, поэтому предварительно были измерены объем и масса ионной жидкости.
После термостатирования прибора при заданной температуре, было измерено время истечения жидкости между метками М1 и М2. Вязкость была рассчитана по формуле (1), по среднему арифметическому (из 8 измерений) времени истечения жидкости.
Результаты
Методика измерения вязкости была отработана на веществе триэтиленгликоль с известными свойствами [20], значения полученных данных в сравнении представлены на рис. 1.
Максимальная относительная ошибка между литературными и экспериментальными данными составила 6,57%.
Плотность раствора ИЖ [Бш1ш]С1, как и другой имидазольной ионной жидкости [Бш1ш]Бг [20], незначительно уменьшается с увеличением содержания воды и температуры, что представлено в табл. 1 и 2. Объем жидкости определялся при различных температурах, соответствующих температурам измерения вязкости.
содержания воды приводит к уменьшению вязкости лишь вдвое.
Рис. 1 - Экспериментальные и литературные данные вязкости для триэтиленгликоля при температурах 15^80°С, где о - экспериментальные значения, □ - литературные данные [19]
Таблица 1 - Плотность водного раствора ионной жидкости [Еш1ш]С1 при концентрациях 40^80 масс. % и температурах 20^80°С
р, г/см3 X, %
40 50 60 70 80
20°С 1,001733 1,028437 1,071948 1,087000 1,111276
30°С 0,997301 1,021872 1,06268 1,077891 1,100591
40°С 0,992907 1,015391 1,053571 1,071903 1,091594
50°С 0,998553 1,008992 1,046099 1,065981 1,084208
60°С 0,984236 1,002672 1,038732 1,060124 1,078371
70°С 0,979957 0,996432 1,031469 1,055773 1,072591
80°С 0,975714 0,990268 1,024306 1,051458 1,068307
В результате проведенных экспериментов были получены зависимости вязкости от температуры для ионной жидкости [Бш1ш]С1 при различных концентрациях, что показано на рис.2. Эксперимент проводился при атмосферном давлении.
Таблица 2 - Плотность водного раствора ИЖ [Еш1ш][С1] при концентрации 97,18 масс. % и температурах 80°С^100°С
р, г/см3 X, %
97,18
80°С 1,095476
90°С 1,086423
100°С 1,072494
В литературных источниках [15-17] представлены зависимости вязкости от температуры для чистой ионной жидкости [Бш1ш]С1, которые представлены на рис. 3.
Сравнивая рис. 2 и 3, можно заключить, что при содержании воды в растворе 20 масс. % вязкость уменьшается в 20 раз, дальнейшее увеличение
Рис. 2 - Зависимость вязкости от температуры: '>( - 40 масс. % раствор,-0- - 50 масс.%
раствор,— 60 масс. % раствор, —0— - 70
масс. % раствор, в' - 80 масс. % раствор
Рис. 3 - Вязкость чистой ионной жидкости [Emim][Cl], ♦ Sebastian Fendt, Sasisanker Padma-nabhan, Harvey W. Blanch, and John M. Prausnitz [15], Ting Chen, Mandan Chidambaram, A Kenneth R. Seddon, Annegret Stark, and María-José Torres [16], ■ Zhiping Liu, Berend Smit, and Alexis T. Bell [17]
Вязкость воды закономерно изменяется в зависимости от температуры: уменьшается с ее возрастанием. В соответствии с этим, по результатам данных можно сказать, что вязкость ИЖ увеличивается с уменьшением концентрации воды в ИЖ.
В работе [17] приведены значения вязкости при малых концентрациях воды, вследствие ее гигроскопичности как изображено на рис. 4. В данной работе также была измерена вязкость 97,18 масс. % раствора ИЖ, результаты которой представлены на рис. 4, из которой видно, что незначительное содержание воды резко уменьшает вязкость раствора, что можно также наблюдать для [Bmim]Br [20].
В соответствии с полученными данными для описания поведения вязкости водного раствора ИЖ [Emim]Cl получена зависимость при концентрациях от 40^80 масс. % и температурах от 20-80°С:
j=A*exp(B*T05), (2)
где A=-21,95999953 + 2,644916598 * X -
0,08366081444 * X2 + 0,0009195273577 * X4, B=-
0,6910640559
0,03041633922
X
*
+
0,0006334800908 * X2+ 0,000003778197899 * X3, Х -массовая концентрация ИЖ, T - температура, °С.
Рис. 4 - Зависимость вязкости от массовой доли воды в растворе [Emim]Cl, • - Zhiping Liu, Be-rend Smit, and Alexis T. Bell [17] при 100°C, ■ -экспериментальное значение при 100°C, A- - экспериментальное значение при 90°С, ♦ -
экспериментальное значение при 80°С
Абсолютная погрешность значения вязкости, вычисленной по зависимости (2) по сравнению с экспериментальными данными, полученными в данной работе, представлен на рис. 5:
Рис. 5 - Разброс ошибки эксперимента, где □ при концентрации 40 масс. %,0 при концентрации 50 масс. %, □ при концентрации 60 масс. %, х при концентрации 70 масс. %, о при концентрации 80 масс. %
Среднеквадратическое отклонение экспериментальных данных было рассчитано по формуле:
а=
( n
exp H'calc) __i__________________
n
(3)
V У
где п - количество экспериментов; ц - экспериментальные значения вязкости; - значения вяз-
кости, рассчитанные по формуле (2) и составило
0,01119.
Заключение
В данной работе была измерена вязкость водного раствора ионной жидкости [Бш1ш]С1 при
температурах 20^800С и концентрациях 40^80% масс. при атмосферном давлении. Изучив экспериментальные данные можно сказать, что динамическая вязкость водного раствора [Emim]Cl уменьшается с повышением температуры и увеличивается с увеличением концентрации ионной жидкости.
На основе этих данных получена зависимость вязкости водного раствора ионной жидкости [Emim]Cl от температуры и концентрации в исследуемом диапазоне изменения параметров.
Литература
1. М.В. Бурмистр, О.С. Свердликовская, О.М. Бурмистр,
0. А. Феденко, Вестник удмуртского университета, 4, 1, 55-68 (2012)
2. Д.Г. Логинов, В.В. Никешин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 22, 53 - 55 (2012)
3. А.Р. Габдрахманова, А.Ф. Ягфарова, Л Р. Минибаева, A. В. Клинов, Вестник Казанского технологического университета, 15, 13, 63-66 (2012)
4. А.Ф. Ягфарова, А.Р. Габдрахманова, Л Р. Минибаева, И. Н. Мусин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 13, 192-196 (2012)
5. Elena Gomez, Begona Gonzalez, AÄngeles Dominguez, Emilia Tojo, Jose Tojo, J. Chem. Eng. Data 51, 696-701(2006)
6. J. Jacquemin, P. Husson, A. A. H. Padua and V. Majer, Green Chem., 8, 172-180 (2006)
7. B. D. Fitchett, T. N. Knepp, J. C. Conboy, J. Electrochem. Soc. 151, 7, E219-E225 (2004)
8. S. Pandey, K. A. Fletcher, S. N. Baker, G. A. Baker, Analyst, 129, 7, 569-573 (2004)
9. J. A. Widegren, A. Laesecke, J. W. Magee, Chem. Commun. 12,1610-1612 (2005)
10. D. Chakrabarty, A. Chakraborty, D. Seth, Sarkar, N. J. Phys. Chem. A, 109, 9, 1764-1769 (2005)
11. K. R. Seddon, A. Stark and M. J. Torres, Pure Appl. Chem., 72, 12, 2275-2287 (2000)
12. R. L. Gardas, M. G. Freire, P. J. Carvalho, I. M. Marrucho,
1. M. A. Fonseca, A. G. M. Ferreira, J. A. P Coutinho,. J. Chem. Eng. Data, 52, 80-88 (2007).
13. A. J. Carmichael, K. R. Seddon, J. Phys. Org. Chem., 13, 10, 591-595 (2000).
14. G. Law, P. R. Watson, Chem. Phys. Lett., 345, 1, 1-4 (2001).
15. Sebastian Fendt, Sasisanker Padmanabhan, Harvey W. Blanch, John M. Prausnitz, J. Chem. Eng. Data, 56, 1, 31-34 (2011).
16. Ting Chen, Mandan Chidambaram, Zhiping Liu, Berend Smit, Alexis T. Bell, J. Phys. Chem. B, 114, 17, 5790-5794 (2010)
17. K. R. Seddon, Annegret Stark, María-José Torres, American Chemical Society, 34-49 (2002)
18. Паспорт к вискозиметру
19. О.Н. Дымент, К.С Казанский, А.М. Мирошкин, Глико-ли и другие производные окисей этилена и пропилена. Химия, Москва, 1976, 376 с.
20. Л.М. Раменская, Е.П. Гришина, А.М. Пименова, М.С. Грузлев, Журнал физической химии, 82, 7, 1246-1251 (2008)
© А. Р. Габдрахманова - студ. КНИТУ; А. Ф. Ягфарова - студ. КНИТУ; Л. Р. Минибаева - асс. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, minibayeva@kstu.ru.
