Πειραματική μελέτη και θερμοδυναμική προσομοίωση της ισορροπίας φάσεων συστημάτων που περιέχουν αντιοξειδωτικές ενώσεις και ιοντικά υγρά
Authors: Αλεβίζου Ευθυμία 
Published: September 2021

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η πειραματική μελέτη και η θερμοδυναμική προσομοίωση μιγμάτων φυσικών αντιοξειδωτικών, ιοντικών υγρών και οργανικών διαλυτών.Τα μελετώμενα φυσικά αντιοξειδωτικά είναι υδρόξυ-παράγωγα του κινναμικού οξέος και αποτελούν πρώτες ύλες υψηλής προστιθέμενης αξίας για τις βιομηχανίες τροφίμων, φαρμάκων, καλλυντικών. Τα ιοντικά υγρά είναι τηγμένα άλατα και αποτελούν εναλλακτικούς διαλύτες με προοπτική αντικατάστασης των πτητικών οργανικών που χρησιμοποιούνται κατά κόρον στη βιομηχανία.Το πειραματικό μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στον προσδιορισμό της διαλυτικής ικανότητας διαφόρων ιοντικών υγρών για δύο αντιοξειδωτικά˙ το π-κουμαρικό και το καφεϊκό οξύ και στη σύγκρισή της με την αντίστοιχη δύο κλασικών οργανικών διαλυτών, της τριτοταγούς πεντανόλης και του οξικού αιθυλεστέρα, στο θερμοκρασιακό εύρος (303-318) K. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων έδειξαν ότι τα ιοντικά υγρά που βασίζονται στα υδρόφιλα ανιόντα BF4- και TFO- αποτελούν καλύτερους διαλύτες από τους δύο οργανικούς, οι οποίοι με τη σειρά τους είναι καλύτεροι διαλύτες από τα βασιζόμενα στα υδρόφοβα ανιόντα PF6- και TF2N- ιοντικά υγρά. Επίσης, η διεργασία της διάλυσης των δύο οξέων σε όλους τους μελετώμενους διαλύτες δεν είναι αυθόρμητη, καθότι πάντα ενδόθερμη και ευνοείται εντροπικά. Επιπλέον, προσδιορίστηκαν οι θερμοκρασίες και ενθαλπίες τήξης και οι θερμοκρασίες αποσύνθεσης των δύο οξέων από όπου προέκυψε ότι και τα δύο οξέα αποσυντίθενται αμέσως μετά την έναρξη της τήξης.Για τη θερμοδυναμική μοντελοποίηση της ισορροπίας φάσεων μιγμάτων φυσικών αντιοξειδωτικών, ιοντικών υγρών και οργανικών διαλυτών μελετήθηκε η απόδοση τόσο τριών κλασικών μοντέλων συντελεστού ενεργότητας (NRTL, UNIQUAC, UNIFAC), όσο και του κβαντοχημικού μοντέλου COSMO-RS, το οποίο συνδυάζει κβαντοχημικούς υπολογισμούς μοριακής προσομοίωσης και στατιστικής θερμοδυναμικής για την πρόβλεψη θερμοδυναμικών ιδιοτήτων καθαρών συστατικών και μιγμάτων.Τα μοντέλα NRTL και UNIQUAC αποδείχθηκε ότι περιγράφουν την ισορροπία φάσεων όλων των μιγμάτων επιτυχώς. Το μοντέλο UNIFAC εφαρμόστηκε για την πρόβλεψη της διαλυτότητας των δύο κινναμικών οξέων στους δύο οργανικούς διαλύτες, καθώς στα μίγματα των ιοντικών υγρών δεν είναι εφαρμόσιμο και η ποιότητα των αποτελεσμάτων πρόβλεψης συνολικά είναι σχετικά χαμηλή.Το μοντέλο COSMO-RS που αποτελεί μία μοναδική μέθοδο απευθείας πρόβλεψης θερμοδυναμικών ιδιοτήτων χωρίς την απαίτηση πειραματικών δεδομένων για την εφαρμογή του αξιολογήθηκε στην πρόβλεψη της ισορροπίας φάσεων τόσο των πειραματικά μελετώμενων μιγμάτων, όσο και δυαδικών και τριαδικών μιγμάτων αντιοξειδωτικών, ιοντικών υγρών και οργανικών διαλυτών της βιβλιογραφίας. Από τη συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του μοντέλου COSMO-RS που εξήχθησαν στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, συμπεραίνεται ότι αν και σε ορισμένες περιπτώσεις οι ποσοτικές αποκλίσεις από τα πειραματικά δεδομένα είναι σημαντικές, η ποιοτική περιγραφή στις περισσότερες περιπτώσεις είναι σωστή, υποδεικνύοντας ότι το μοντέλο COSMO-RS είναι ένα κατάλληλο μοντέλο για a priori κατάταξη διαλυτών.