Растворимость метилпарабена в сверхкритическом диоксиде углерода

УДК533.1, 536.75

И. И. Гильмутдинов, И. В. Кузнецова, И. М. Гильмутдинов,

А. А. Мухамадеев, А. Н. Сабирзянов

РАСТВОРИМОСТЬ МЕТИЛПАРАБЕНА В СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА

Ключевые слова: растворимость, метилпарабен, сверхкритический флюид.

Создана экспериментальная установка, позволяющая измерять растворимость твёрдых веществ и жидкостей в сверхкритических флюидных средах в широком диапазоне температуры и давления. В настоящей работе получены экспериментальные результаты по растворимости метилпарабена на изотермах 313.1 К, 323.1 К и 333,1 К в интервале давлений 15-35 МПа. Относительная погрешность оценивается в 7,7 %.

Keywords: solubility, methyl paraben, supercritical fluid.

An experimental setup to measure the solubility of solids and liquids in supercritical fluids in a wide range of temperature and pressure. In this paper, experimental results on the solubility of methyl paraben for the isotherms of 313.1 K, 323.1 K and 333.1 K at pressures of 15-35 MPa. The relative error is estimated at 7.7%.

Введение

На сегодняшний день большое внимание во всём мире уделяется развитию нанотехнологий. Наноразмерные субстанции сложного состава открывают новые перспективы для различных отраслей экономики. Применение таких объектов позволяет добиться новых механических, физико-химических,

биологических и др. потребительских свойств получаемой продукции. Процессы получения субмикронных и наночастиц сверхкритическими флюидными методами позволяют получать частицы, состоящие из двух и более компонентов. Изменяя термодинамические параметры процесса, а также геометрию расширительного устройства можно управлять не только размером и дисперсностью частиц, но также и составом [1].

Проектирование и оптимизация процессов, происходящих в сверхкритических флюидных средах, а так же для получения частиц сложного состава, применяя сверхкритические флюидные (СКФ) процессы, необходимо знать растворимость веществ в СКФ средах. В этой работе был реализован проточный метод экспериментального исследования

растворимости метилпарабена.

Описание установки

Опыты по измерению растворимости метилпарабена были проведены на установке, изображённой на рис.1, которая включает в себя: насос высокого давления, теплообменник охлаждения CO2, расходомер марки Siemens MASS 6000 (Германия), воздушный термостат, экстракционную ячейку, дроссельный вентиль и систему защиты и контроля. Установка обладает

следующими техническими характеристиками: рабочее давление 6-40 МПа, номинальный массовый расход сверхкритического

растворителя 0,83 г/с, рабочая температура от 20 0С до 300 0С.

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 - манометр, 15 -

дроссельный вентиль

Методика проведения опытов

Перед началом эксперимента

производится загрузка исследуемого вещества в экстрактор (11), после чего взвешивается его масса. 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. Затем диоксид углерода поступает в экстрактор (11), который находится внутри воздушного термостата (10). Вследствие нагрева С02 переходит в сверхкритическое состояние и начинает растворять исследуемое вещество. Вентиль (8) находится в открытом положении, а дроссель-вентиль (16) открывается таким образом, чтобы расход С02 был равен 1 г/мин.. После окончания эксперимента экстрактор дегазируется в атмосферных условиях в течение 20 часов. И после этого опять взвешивается. Разница массы экстрактора до эксперимента и после показывает, сколько вещества растворилось в сверхкритическом диоксиде углерода.

Для исследования растворимости циклическим методом необходимо знать при каком расходе сверхкритического СО2 будет растворяться максимальное количество

исследуемого вещества. На рис.2 изображён график, из которого видно, что при расходе сверхкритического СО2 равным 1 г/мин растворяется максимальное количество

исследуемого вещества. А уменьшение

растворимости с увеличением расхода объясняется тем, что при больших расходах растворитель быстрее проходит через ячейку и не успевает достичь состояния насыщения растворяемым веществом.

Лишь нулевому значению расхода растворителя отвечает равновесная

концентрация целевой компоненты, по определению являющаяся «растворимостью». Циклический метод реализуется в диапазоне расходов, в котором концентрация оказывается неизменной. Именно, эта концентрация в рамках несколько большей погрешности метода и принимается за растворимость.

В настоящей работе в качестве исследуемого вещества использовался метилпарабен (С8Н803) с молярной массой 152,15 г/моль. В качестве растворителя использован диоксид углерода с чистотой 99% (ГОСТ 8050-85).

В этой работе эксперимент проводился на трёх изотермах. На рис.4 изображено полученные экспериментальные данные

В опытах наблюдалось изменение растворимости в зависимости от давления. Как видно из рис.4 растворимость метилпарабена увеличивается с увеличением давления.

Выводы

Создана установка для измерения растворимости твёрдых веществ и жидкостей циклическим методом в СК растворителях. Изучена растворимость метилпарабена в СК СО2. Из полученных данных видно, что при постоянной температуре с увеличением давления растворимость увеличивается. Относительная погрешности эксперимента составляет 7,7 %.

Рис. 2 расхода

Зависимость растворимости от

Рис. 4 - График зависимости растворимости метилпарабена от давления на изотермах: 1 -Т=313,1 К; 2 - Т=323,1 К; 3 - Т=333,1 К

"Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 20072013 годы» по госконтракту 16.552.11.7012”.

Литература

1. Кузнецова, И.В. Диспергирование

фармацевтических препаратов, полимерных материалов с использованием

сверхкритических флюидных сред / И.В. Кузнецова, И.М. Гильмутдинов, А.Н. Сабирзянов и др.// Вестник Казан. технол. унта. - 2010. - №2. - С .321-328

2. Кузнецова И.В. Исследование растворимости антрацена в сверхкритическом диоксиде углерода динамическим методом / И.В.Кузнецова и др.//Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №14. - С. 84-90

3. Qunsheng, Li. Solubility of solid solutes in supercritical carbon dioxide with and without cosolvents / Li Qunsheng, Zhang Zeting, Zhong Chongli, Liu Yancheng, Zhou Qingrong // Departament of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, P.O. Box 100, Beijing 100029, China.-accepted 14 January 2003

4. Гумеров Ф.М. Суб и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров/ Ф.М. Гумеров, А.Н. Сабирзянов, Г.И. Гумерова. Казань: ФЭН, 2007. C. 336.

© И. И. Гильмутдинов - асп. КНИТУ, ilnur1988@inbox.ru; И. В. Кузнецова - асп. КНИТУ, Irina301086@rambler.ru; И. М. Гильмутдинов - канд. техн. наук, асс. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, gilmutdinov@kstu.ru; А. А. Мухамадеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, muhamadiev@kstu.ru; А. Н. Сабирзянов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, sabirz@kstu.ru.