Исследование растворимости сверхкритического диоксида углерода в полиэтиленгликоле 4000

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

(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, ilnur1988@inbox.ru; 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, yarul.lenar@gmail.com; И. В. Кузнецова - асс. той же кафедры, Irina301086@rambler.ru; И. М. Гильмутдинов - к.т.н., асс. той же кафедры, gilmutdinov@kstu.ru; А. Н. Сабирзянов - д.т.н., проф. той же кафедры, sabirz@kstu.ru.