Исследование растворимости сверхкритического диоксида углерода в полиэтиленгликоле 4000 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 533.1, 536.75

И. И. Гильмутдинов, В. Ф. Хайрутдинов, Л. Ю. Яруллин,

И. В. Кузнецова, И. М. Гильмутдинов, А. Н. Сабирзянов

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТВОРИМОСТИ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

В ПОЛИЭТИЛЕНГЛИКОЛЕ 4000

Ключевые слова: сверхкритический флюид, растворимость, полиэтиленгликоль, диоксид углерода.

Создана экспериментальная установка для исследования растворимости газов в полиэфирах. Получены экспериментальные данные растворимости сверхкритического диоксида углерода в полиэтиленгликоле с молекулярной массой 4000 при давлении в диапазоне от 10 до 35 МПа и температуре системы T=313 К; 323 К; 333К.

Keywords: supercritical fluid, the solubility ofpolyethylene glycol, carbon dioxide.

An experimental setup to investigate the solubility of gases in polyesters. Experimental data solubility of supercritical carbon dioxide in polyethylene glycol with a molecular weight of4000 at a pressure ranging from 10 to 35 MPa and a

temperature of T = 313 K, 323 K, and 333K.

Введение

Сверхкритические (СК) флюиды широко используются в качестве растворителя,

пластификатора или антирастворителя в процессах переработки полимеров: модификации полимеров, полимерных композиционных материалов, получении микропористой пены, частиц, а также в синтезе полимеров [1-3]. Наиболее часто используется в таких процессах сверхкритический диоксид углерод. Это связано с его физикохимическими свойствами. Сверхкритический диоксид углерода является нетоксичным, негорючим, химически инертным, и относительно других растворителей недорогим. Его растворяющая способность зависит от температуры и давления в системе. Растворение сверхкритического диоксида углерода в расплавленном полимере приводит к значительному уменьшению вязкости расплавленного полимера в связи с увеличением его объема. Таким образом, он имеет огромный потенциал в качестве пластификатора в процессе переработки полимеров, который обычно выполняется при высоких температурах.

В настоящее время применение сверхкритического диоксида углерода в качестве растворителя можно встретить при обработке различных биодеградируемых или биосовместимых полимеров для фармацевтических и медицинских целей в форме частиц и микропористой пены. Низкая термическая стабильность биоразлагаемых полимеров и отсутствие органических растворителей в их обработке являются основными причинами применения сверхкритического СО2 в качестве растворителя.

Описание установки

Опыты по измерению растворимости СК СО2 в полиэфире полиэтиленгликоль 4000 в данной работе были проведены на установке, изображённой на рис.1, которая включает в себя: насос высокого давления (5), теплообменник охлаждения CO2(3), расходомер марки Siemens MASS б000 (Германия)

(4), воздушный термостат (6), экстракционную ячейку (11), дроссельный вентиль (16) и систему защиты и контроля. Установка обладает

следующими техническими характеристиками:

рабочее давление 6-40 МПа, номинальный массовый расход сверхкритического растворителя 0,00083 кг/с, рабочая температура от 20 0С до 300 °С [5]

15

%

-----

Рис. 1 - Принципиальная схема установки: 1 -баллон с С02, 2 - фильтр-осушитель, 3 -теплообменник охлаждения, 4 - росходомер, 5 -насос высокого давления, 6 - термостат, 7 -электронагреватель, 8 - вентиль, 9 - переходник тройной, 10 - воздушный термостат, 11 -

экстракционная ячейка, 12 - блок управления температурой и давлением, 13 - нагреватель, 14 -переходник четверной, 15 - манометр, 16 -

дроссельный вентиль

Для увеличения площади соприкосновения сверхкритического диоксида углерода с исследуемым веществом в экстрактор помещались нерегулярные насадки.

Методика проведения опытов

Перед началом эксперимента производится загрузка полимера в экстрактор (11), после чего взвешивается его масса на аналитических весах с погрешностью ±0,0001 г. Далее включается

термостат (6), который требуется для охлаждения головок насоса (5) и теплообменника (3). Процесс термостатирования продолжается до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет значения -5 0С.

Температура экстрактора задаётся и поддерживается с помощью блока управления (12). Далее открывается вентиль баллона (1) откуда диоксид углерода с первоначальным давлением 5-6 МПа попадает в охлаждающий теплообменник (3) через фильтр осушитель (2). После перехода в жидкую фазу С02 через расходомер (4) поступает в насос (5), где сжимается до заданного давления, после чего диоксид углерода поступает в экстрактор (11), который находится внутри воздушного термостата (10). Вследствие нагрева С02 переходит в сверхкритическое состояние и начинает растворяться в полимере. После окончания эксперимента экстрактор взвешивается.

Растворимость СК диоксида углерода рассчитывается по формуле:

где ' масса диоксида углерода

растворившегося в полимере, ' масса

полиэтиленгликоля 4000.

В настоящей работе использованы полиэфир полиэтиленгликоль (ПЭГ) с молярной массой 4000 г/моль фирмы Рапгеас (Испания), а также диоксид углерода с чистотой 99% (ГОСТ

8050-85).

Результаты эксперимента

В таблице 1 представлены результаты исследования растворимости СК диоксида углерода в ПЭГ 4000.

Таблица 1

Графическое представление растворимости СК СО2 в ПЭГ 4000 представлен на рис. 3.

0,12

5 10 15 20 25 30 35 40

Р, МПа

Рис. 3 - Зависимость растворимости СК СО2 в ПЭГ 4000 от давления на различных изотермах

Из полученных данных видно, что растворимость сверхкритического диоксида углерода в полимере увеличивается с повышением давления. Так же заметно, что чем больше температура, растворимость так же увеличивается. Это связано с тем, что с повышением термодинамических параметров плотность СК диоксида углерода растет и следовательно его проникающая способность тоже увеличивается.

Выводы и заключения

Создана установка для измерения растворимости газов в полиэфирах. Получены новые данные растворимости СК диоксида углерода в полиэтиленгликоле 4000. Из полученных результатов эксперимента видно, что растворимость увеличивается с повышением термодинамических параметров.

Благодарность

Работа выполнена при поддержки РФФИ (проект 12-08-31176 мол_а).

Литература

1. Lopes J.A. On the effect of polymer fractionation on phase equilibrium in CO2+poly(ethylene glycol )s systems / J.A. Lopes , D. Gourgouillon, P.J. Pereira, A.M. Ramos, M. Nunes da Ponte // J. Supercrit. Fluid, 16 (2000), p. 261-267

2. P. Gallagher-Wetmore, Supercritical fluids and polymers present and future trends, in: G. Brunner, M. Perrut ( Eds.), Proceedings of the Third International Symposium on Supercritical Fluids Vol. 3 (1994) 253.

3. D. Gourgouillon, H.M.N.T. Avelino, J.M.N.A. Fareleira, M. Nunes da Ponte, Simultaneous viscosity and density measurement of supercritical CO2 -saturated PEG 400, J. Supercritical Fluids 13 ( 1998) 177.

4. M. Daneshvar, E. Gulari, High pressure phase equilibria of poly(ethylene glycol )-carbon dioxide systems, J. Phys. Chem. 24 (1990) 2124.

5. Гильмутдинов И.И. Исследование растворимости антрацена в сверхкритическом диоксиде углерода

Р, МПа Y, гр. СО2/гр. ПЭГ

Т=313 К

10 0,032

15 0,04

20 0,047

25 0,049

30 0,052

35 0,068

Т=323К

10 0,042

15 0,056

20 0,06

25 0,0675

30 0,072

35 0,082

Т=333К

10 0,05

15 0,058

20 0,067

25 0,078

30 0,083

35 0,11

динамическим методом / Кузнецова И.В., Гильмутдинов Гильмутдинов И.М., Мухамадиев А.А., Сабирзянов А.Н.

И.М., Мухамадиев А.А., Сабирзянов А.Н. // Вестник // Вестник технологического университета. - 2012. -

технологического университета. - 2011. - т.14, №14. т.15, №1, С. 108-111.

6. Гильмутдинов И.И. Растворимость метилпарабена в сверхкритическом диоксиде углерода / Кузнецова И.В.,

© И. И. Гильмутдинов - асп. КНИТУ, [email protected]; В. Ф. Хайрутдинов - к.т.н., доц. каф. ТОТ КНИТУ, инж. к.т.с. ООО Инженерно-внедренческий центр «Инжехим»; Л. Ю. Яруллин - инж. каф. ТОТ КНИТУ, [email protected]; И. В. Кузнецова - асс. той же кафедры, [email protected]; И. М. Гильмутдинов - к.т.н., асс. той же кафедры, [email protected]; А. Н. Сабирзянов - д.т.н., проф. той же кафедры, [email protected].