Cuvă cu lichid suprasensibil

Cuvetă cu fluid supercritic

Ei spun că Japonia are deja cea mai curată rufetă din lume - fără ape reziduale. Este de înțeles: Japonia este o țară mică, nu există unde să se scurgă murdăria, prin urmare, cele mai recente evoluții științifice care contribuie la conservarea mediului sunt evaluate. În SUA, "chimia verde", în care nu există solvenți nocivi și deșeuri, se confruntă, de asemenea, cu o adevărată boom.







Iar abordarea "verde" a chimiei se bazează pe un fenomen cunoscut de peste un secol. Se numește "starea supercritică a materiei".

Nu este lichid și nu gaz

Din ciclul școlar al fizicii, trei stări agregate ale materiei sunt cunoscute: lichide, solide și gazoase. Se pare că acest lucru nu este adevărat. (. Figura 1) În cazul în care gazul este puternic comprimat, și apoi este încălzit, apoi densitatea acestuia va crește brusc de zece ori (Fig.2). Și va fi aproape de densitatea lichidului; vâscozitate rămâne aproape ca un gaz, iar cel mai important parametru care chimiști interesate - coeficient de difuzie - să ia o valoare intermediară a acestor stări ale materiei. Apelarea unui astfel de "lichid supercritic" nu este foarte convenabilă, totuși este ceva între fluid și gaz. Prin urmare, termenul "fluid supercritic" din fluidul englez, care înseamnă "capabil să curgă", sa stabilizat. În stare supercritică, este posibilă și conversia unui lichid dacă nu se descompune la o temperatură mai mică decât cea critică.

În plus față de o astfel de schimbare bruscă a principalilor parametri în tranziția de la gaz la fluid supercritic manifestă o altă caracteristică caracteristică a tranzițiilor de fază, - având fluctuații de densitate puternice, similare cu cele observate in apa la fiert. Aceasta afectează spectrul de transmitere a luminii - în momentul tranziției celulare, fluidul devine opac. Dacă încălzim în continuare fluidul sau mărim presiunea, atunci fluctuațiile vor scădea, dar ele nu vor dispărea complet.

Intervalul de temperatură și presiune în care există un fluid supercritic există într-o formă complexă. Dar, de dragul simplității, așa cum se vede în Fig. 1 este notat cu un dreptunghi. Vertexul inferior stâng al acestui dreptunghi se numește punctul critic - acestea sunt valorile minime ale presiunii și ale temperaturii necesare pentru ca gazul sau lichidul să treacă la starea supercritică.

Dioxidul de carbon este un solvent remarcabil

Starea supercritică a fost studiată pentru trei duzini de compuși. Cele mai interesante dintre acestea sunt etanul, etilena, propilena, xenonul, apa, totuși, accentul se pune acum pe dioxidul de carbon. În starea supercritică (31 о С, 73 atm) devine un solvent puternic și se comportă ca și hexan în ceea ce privește compușii cu conținut scăzut de molecule. Cu polimeri - mai dificil. La o presiune mai mică de 350 atm. și la o temperatură de până la 100 ° C, lichidul dizolvă numai polidimetilsiloxanii și polihidrocarburile perfluorurate. Motivul este că molecula este CO2. intră în interacțiuni specifice cu un atom de siliciu sau cu o grupare fluorocarbon, mecanismul căruia se discută încă. Dacă presiunea depășește 500 atm. apoi lichidul de CO2. începe să dizolve polimerii și alte clase. În același timp, solubilitatea lor în fluid ajunge la zeci de procente în greutate.

Faptul că hidrocarburile perfluorurate se dizolvă în CO2 supercritic. facilitează foarte mult sinteza chimiștilor altor polimeri, de exemplu acrilați. Monomerii sunt inițial solubili în fluid. Cu toate acestea, abia conceput, moleculele de polimer se străduiesc să precipite. , Necesar „float“, și care servește ca un polimer fluorurat (fig. 3), pentru a le ține mai mult în soluție și un polimer cu greutate moleculară ridicată. Este "cuplat" unul câte unul pentru polimerul în creștere și grupuri de fluor pentru lichid, care asigură întregul complex cu solubilitate.

Cel mai important, după terminarea sintezei, este suficient să se scadă presiunea, iar solventul, dioxidul de carbon, va purta pur și simplu în atmosferă. Într-o astfel de schemă de sinteză, este posibil să se evite principala problemă a tehnologiei chimice - cantitatea imensă de solvenți care trebuie îndepărtați de produsul finit. Mai mult decât atât, CO2 supercritic. este posibilă purificarea produsului finit din reziduurile monomerului și inițiatorul reacției - este suficient să se spală polimerul rezultat cu un lichid proaspăt. Datorită vitezei ridicate de difuzie curăță ușor și rapid.

Fluid în interiorul polimerului

Dacă polimerul este insolubil în fluid, este intolerabil - se poate umfla. Într-un polimer solid, poate fi introdus CO2 supercritic. în cantități mari - până la 30% în greutate. Și aceasta oferă o ieșire pentru o altă tehnologie - producerea de materiale microporoase. Polimerul este plasat într-o cuvă, umplut cu dioxid de carbon și presiune și temperatură ridicate. La trecerea la o stare supercritică, fluidul impregnează polimerul și apoi se decompresează rapid, lăsând porii deschisi (Figura 4). Deci, este posibil să înlocuiți freonii foarte dăunători, care sunt utilizați pentru a crea materiale poroase.

În mod similar, suprafețele polimerice sunt modificate. În acest caz, substanța dizolvată în fluid, împreună cu ea pătrunde în polimer. De exemplu, oamenii de știință din limba engleză au reușit să impregneze polietilenă de joasă densitate la o adâncime de 4 mm cu o substanță model - carbonil de mangan. Oamenii de știință de la Institutul nostru de compuși organoelementari au pus un astfel de experiment. Ei au introdus complexe de cupru dizolvate în CO2 supercritic în poliarilat. și apoi, încălzind-o, restabilind cuprul la metal. Sa obținut un nanocompozit, de trei ori mai rezistent la abraziune decât polimerul inițial. Această tehnică deschide calea către obținerea de materiale ne-descriptive. Dacă metalul nu este redus termic ci chimic, este posibil să se facă un polimer nerezistent, de exemplu, polietilenă, rezistent la uzură.

Cu ajutorul fluidului, multe substanțe pot fi introduse în stratul de suprafață al polimerului, de exemplu, stabilizatori de lumină sau vopsele. Din păcate, marea majoritate a coloranților cunoscuți pentru polimeri în CO2 supercritic. slab solubil. Dar optimismul se datorează faptului că, atunci când vine în contact cu polimerul, cea mai mare parte a colorantului dizolvat în lichid trece în el. Și au luat deja două sau trei vopsele, care sunt potrivite pentru sticla organică.







Dar cel mai interesant este de a modifica suprafața polimerului însuși - polietilenă. În sine, această substanță este nepolară și deci inertă. Astfel încât să poată interacționa cu vopsea, lipici sau să fie umectabil, trebuie introduse în substanța ei strat de suprafață cu grupe polare, cum ar fi - C = O, - NH, - S = O, și sugerează că face cu fluidul supercritic.

Un domeniu foarte interesant de a utiliza această tehnologie este crearea de droguri cu acțiune întârziată. Polimerul este imersat într-o soluție de medicament în CO2 supercritic. se umflă în fluid, iar moleculele mari ale medicamentului penetrează cu ușurință în stratul de suprafață. Dar după eliberarea presiunii de CO2. repeta rapid, și medicamentul va rămâne. Moleculele sale au un coeficient de difuzie mic și vor părăsi lent polimerul. Cunoscând coeficientul de difuzie, poți calcula doza și poți face medicamentul cu o durată de acțiune specificată.

Purificarea și sinteza

A treia direcție de utilizare este tot felul de curățenie. Odată ce CO2 supercritic. un astfel de solvent puternic, atunci de ce nu ar trebui să curățe hainele murdare? Și nu numai ea. În anii '70, lichidul a învățat să extragă ioni de metale grele de la soluții.

În reactor cu apă, în care metalul care urmează a fi îndepărtat este dizolvat sub formă de sare, este furnizat CO2 supercritic. Dar acest lucru nu este un lichid pur - a dizolvat un ligand organic. Soluția și fluidul sunt amestecate, ionul metalic se combină cu ligandul, formează un complex și trece în CO2. Apoi, fluidul este deplasat, scos din capilar în afara reactorului, unde presiunea scade. Dioxidul de dioxid de carbon se îndepărtează și un complex organometalic se obține în forma sa pură, cu care este posibil să se lucreze mai departe.

În acest fel, este posibilă extragerea metalelor nu numai din lichid, ci și dintr-un solid. În orice caz, acum, în Institutul Radium (Sankt-Petersburg), creează o tehnologie pentru extragerea elementelor zaurana de la Cernobâl.

CO2 este un solvent inert, prin urmare, polimerizarea și sinteza oricărei substanțe poate fi efectuată în acesta. Dar dacă adăugați un catalizator, CO2 va deveni un reactiv. Temperatura reacției scade brusc și crește viteza acesteia. Acest lucru a fost folosit de chimiștii japonezi care au inventat tehnologia pentru producerea acidului formic într-un fluid supercritic.

Un alt lucru care are importanță secundară după curățarea la mâna a doua este aplicarea de vopsele. Colorantul uscat se dizolvă în fluxul de CO2 supercritic. și cu acesta zboară din duza pistolului. Bioxidul de bioxine imediat zboară, iar vopseaua se așează pe suprafață. La această metodă, pe care americanii o vor picta mașini în viitorul apropiat, scăparea de solvenți nocivi, a primit deja numeroase brevete.

Există și alte fluide

Toate tehnologiile asociate cu CO2 excesiv de critic. Combină un lucru: rolul unui solvent este gazul care face parte din atmosfera planetei noastre. După utilizare, se întoarce în același loc în care a venit, fără a crea cea mai mică contaminare. Astfel, fluidul supercritic de dioxid de carbon evită zagryaz Eniya tuturor celor foarte urât mirositoare și nesănătoase pentru toate substanțele vii, care sunt renumite sinteze organice industriale și alte industrii chimice. Dar există și alte fluide. Cele mai interesante dintre ele sunt xenonul și apa.

Apa este o clasă complet diferită de fluide supercritice. Dacă dioxidul de carbon și gazele organice au presiuni critice și temperaturi scăzute, atunci apa devine un fluid la 374 ° C și 220 atm. Lucrul în această zonă de temperatură și presiune este dificil, dar acest tip de apă dizolvă aproape totul. Chiar și ferestrele safir din cuve mutate cu utilizare prelungită.

Una dintre cele mai importante aplicații ale apei supercritice este descompunerea. Dacă adăugați oxigen la aceasta, atunci aproape toată materia organică este oxidat în componente inofensive, simple, cum ar fi apa și dioxidul de carbon, în câteva minute. Reacția este atât de intensă încât este uneori posibilă observarea flacarii în apă. Reacția este accelerată atât de presiunea ridicată, cât și de capacitatea apei de a provoca hidroliza. Această tehnologie este foarte utilă pentru distrugerea substanțelor super toxice: componente ale armelor chimice, pentru purificarea apei reziduale din tot felul de materii organice.

Un alt fluid interesant este xenonul, care trece într-o stare supercritică la 17 ° C și la o presiune de 57 atm. Aceasta înseamnă că această substanță nu necesită încălzire suplimentară, iar facilitățile de cercetare pentru aceasta sunt obținute destul de simplu. Este, de asemenea, bun ca solvent absolut inert, și în această calitate este folosit metalorganic. Acum studiul reacțiilor într-un xenon supercritic sa transformat într-o direcție întreagă.

Cu toate acestea, dioxidul de carbon este încă cel mai ieftin și, aparent, dezvoltarea tehnologiei supercritice va fi asociată cu acesta. În orice caz, majoritatea covârșitoare a articolelor descriu lucrul în acest fluid supercritic. 90% dintre tehnologiile industriale sunt asociate cu aceasta. De exemplu, în prima fabricare în producție la scară largă a polimerilor cu conținut de fluor alifatic, DuPont va utiliza tehnologiile de reducere a emisiilor de CO2.

În Institutul de la Moscova Compuși organoelement, Academia Rusă de Științe cu fluide supercritice locul de muncă în ultimii cinci ani, pregătindu-le într-o celulă de oțel care poate rezista la presiunea de 500 atm. Partea principală a instalării este un sistem de control al computerului. O parte mecanică constă dintr-un cilindru cu dioxid de carbon și pentru a crește presiunea cavității, capilarelor din oțel asociate cu multiple cuvete (Fig. 5). Una dintre ele este științifică (Figura 6). Cu ajutorul său, fizica fluidelor supercritice este studiată și sistemul de control este depanat. Aici sunt senzori de presiune, temperatură, conductivitate electrică, care se schimbă atunci când substanța este dizolvată în fluid. Acolo cuarț microbalanta, cu redistribuirea lor studiu de ajutor de substanțe între film polimer fluid și subțire. O altă tehnică este calculul umflării filmului prin modelul de difracție.

Două cuve de lucru cu un volum de aproximativ 10 cm 3 sunt fabricate din alamă sau din oțel inoxidabil (figura 6). Ei au efectuat experimente pentru a simula tehnologie supercritic - polimerizare, modificarea suprafeței, sinteza diferitelor substanțe și purificarea lor. Dacă este necesar să se examineze modificările reactivilor în procesul de reacție, este nevoie de o celulă cu ferestre din cuarț și puneți-l în spectrofotometru și înregistrează schimbările în spectrul.

Despre istoria fluidului

Capacitatea lichidului de a se transfera într-o anumită stare "supercritică" a fost descoperită de oamenii de știință din anii 60 ai secolului al XIX-lea. În orice caz, atunci baronul Canyar de la Tour a descris această "condiție specială", iar dr. Andrews a numit punctul de tranziție "un punct critic". Dar au trecut mai mult de o suta de ani inainte ca lichidele supercritice sa incerce sa fie aplicate in practica. Acum această tehnologie se dezvoltă foarte repede.

În țara noastră, soarta tehnologiei supercritice nu sa dezvoltat pur și simplu, iar acum suntem mult în urma colegilor noștri occidentali. În anii șaptezeci, fluidele supercritice au fost utilizate pentru a rezolva problemele asociate cu armele nucleare și purificarea substanțelor radioactive. Ei au studiat și mineralogiști, pentru că în crusta pământului, la o adâncime mai mare de un kilometru, apa se află într-o stare supercritică. Pentru a înțelege cum are loc formarea și dizolvarea rocilor în astfel de condiții, la Institutul de Mineralogie Experimentală (Chernogolovka) se construiesc modele experimentale cu apă supercritică. Apoi, când îmbunătățirea armelor nucleare a fost considerată irelevantă, cea mai mare parte a muncii a fost oprită.

Cea de-a doua tehnologie a găsit un al doilea eolian în țara noastră, care se pare că are legătură cu interesul sporit în Occident. Acum, la Moscova există un seminar și există o duzină de laboratoare care lucrează în această direcție.

Tehnologia asociată fluidelor supercritice la Institutul de compuși organoelement ai Academiei de Științe din Rusia este ocupată de oameni de știință de la Laboratorul de Chimie Fizică a Polimerilor condus de un candidat de științe chimice

Head. laborator
Alexey Removich Khokhlov, membru corespondent al Academiei de Științe din Rusia,
tel. (095) 135-50-85.







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: