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溶质在超临界CO2及含改性剂的超临界CO2中扩散系数及其构效关系研究

作　者: 董新艳
导　师: 任其龙
学　校: 浙江大学
专　业: 应用化学
关键词: 扩散系数 超临界CO2 改性剂 分子间相互力 氢键 线性溶剂化能相关 Taylor分散法
分类号: TQ028.32
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


超临界CO2因其具有临界条件温和、溶解性能良好、绿色无污染、粘度小等优点而作为一种新兴的介质被广泛应用于化工领域。而溶质在超临界流体中的扩散系数是超临界萃取及分离装置的工程放大、流程设计以及工艺优化所必需的基础数据。因此,本文测定了一系列溶质在超临界CO2以及夹带不同改性剂的超临界CO2中的二元及三元无限稀释扩散系数,采用实验测定和量子化学相结合的研究手段从分子层面系统研究超临界流体的物化性质、溶质的构型和性质、改性剂的类型、以及体系中分子间作用力对溶质扩散系数的影响规律,并在此基础上构建了超临界流体中扩散系数的线性溶剂化能模型。在15～30MPa,308.15～338.15K的范围内,采用Taylor分散法测定了香芹酮和薄荷酮在超临界CO2以及含有5和10mol%乙醇的超临界CO2中的无限稀释扩散系数。研究表明,二元及三元扩散系数均随温度的升高而增大,随流体压力、密度、粘度以及乙醇摩尔分率的增加而减小。适用于二元体系的扩散系数与流体物化性质的关联方程同样适用于以乙醇为改性剂的三元体系。在21个经验模型中,Funazukuri-Ishiwata-Wakao和He-Yu-1998模型对两种溶质在超临界CO2中的扩散系数具有最好的预测效果,其平均绝对偏差(AAD)小于3.2%。此外,采用多个修正的Stokes-Einstein(SE)模型预测溶质在含有乙醇的超临界CO2中的扩散系数,预测值均大于实验值,并且AAD值随着乙醇分率的增加而增加。这主要是由于模型没有考虑溶质与乙醇缔合后形成体积增大的扩散实体。此外,Dvmond自由体积模型对溶质在CO2以及含乙醇的CO2中的扩散系数均有良好的预测效果,AAD值小于3.21%。由于不同的改性剂与溶质间不同类型和强度的相互作用力,使得溶质和改性剂形成体积增大的溶剂化聚集体,导致溶质在含有改性剂的CO2中的扩散系数小于其在纯CO2中的扩散系数。通过引入共溶剂效应参数(Ψ=三元扩散系数/二元扩散系数)可分析溶质与改性剂之间相互作用力的类型和强弱。对于没有氢键能力的改性剂,Ψ值随溶质分子体积增加而减少,主要由于溶质—改性剂间的色散作用力随溶质分子体积增加而增加；对于只具有氢键碱性的改性剂,氢键酸性高的溶质具有小的Ψ值,主要由于溶质—改性剂的氢键作用仅依赖溶质的氢键酸性并随其增加而增加；对于两性改性剂,无论改性剂的氢键酸性大于氢键碱性还是碱性大于酸性,氢键酸性高的溶质具有小的Ψ值,可以推断出溶质的氢键酸性而非氢键碱性对溶质—改性剂间氢键作用起主要贡献。由于溶质—改性剂间相互作用随着压力的增加而减弱,因此溶质的共溶剂效应参数随着压力增加而增加。此外,溶质在含有改性剂的C02中的扩散系数随着改性剂比例的增加而非线性减少,这是具有强相互作用力体系的典型现象。无氢键作用溶质在纯CO2以及含改性剂的CO2中的扩散系数主要受溶质分子体积的影响,并且构型比较线性的对位异构体在流体中扩散的最快；而对于有氢键作用溶质而言,溶质氢键官能团的邻位取代基的数目越多、链长越长,氢键官能团的空间位阻就越大,与改性剂的氢键作用就越弱,故而共溶剂效应参数就越大；对于双氢键官能团溶质,邻位同分异构体的分子内氢键会削弱溶质与C02、改性剂分子间氢键,因此其在C02及夹带具有氢键能力改性剂的C02中的扩散系数大于间位同分异构体。采用量子化学计算方法分别研究四氢呋喃和甲醇与溶质的相互作用规律,进一步深入揭示分子间相互作用力对扩散系数的影响。研究表明,只有氢键碱性的四氢呋喃与溶质氢键作用的强度仅取决于溶质氢键酸性的大小,相对于香叶醇,酸性大的间氟苯酚与四氢呋喃间形成更强的氢键作用。而无氢键酸性的1,3-二氯苯、左旋香芹酮与四氢呋喃形成弱于氢键作用的范德华作用力,并且分子体积较大且极性较大的左旋香芹酮与四氢呋喃形成更强的范德华作用力；两性改性剂甲醇分别与两性溶质(间氟苯酚、香叶醇)形成两种氢键复合体,甲醇与两性溶质(间氟苯酚、香叶醇)的氢键作用强于只具有氢键碱性的香芹酮,甲醇与1,3-二氯苯形成最弱的范德华作用力；因此,量化计算的结果可以有效解释扩散系数的实验结果：即溶质在含有四氢呋喃和甲醇的CO2中的共溶剂效应参数以间氟苯酚<香叶醇<香芹酮1<,3-二氯苯的顺序依次增加。根据23种训练集溶质在超临界CO2中以及含有10mol%四氢呋喃、甲醇的超临界CO2中扩散系数和共溶剂效应参数分别构建了LSER模型,其对12种测试集溶质在三种体系中的扩散系数均有良好的预测效果,模型总的平均绝对偏差(AAD%)分别小于2.45%,3.17%和3.40%。分析模型的回归系数可知,溶质与CO2间的色散作用力显著影响溶质在CO2中扩散系数,而溶质主要作为质子供体与四氢呋喃和甲醇间的氢键作用主要影响溶质在夹带这两种改性剂的超临界CO2中的共溶剂效应参数。

全文目录


致谢  5-7
摘要  7-10
Abstract  10-16
第1章 文献综述  16-46
  1.1 前言  16-17
  1.2 超临界流体概述  17-19
    1.2.1 超临界流体的特性  17-18
    1.2.2 超临界CO_2和改性剂  18-19
  1.3 超临界流体中溶质扩散系数的研究进展  19-43
    1.3.1 超临界流体中溶质扩散系数的测定方法  20-27
      1.3.1.1 拟稳态固体溶解法  20-21
      1.3.1.2 核磁共振法  21
      1.3.1.3 动态光散射法  21-22
      1.3.1.4 稳态平行板法  22
      1.3.1.5 Taylor分散法  22-27
    1.3.2 超临界流体中扩散系数的研究体系  27-30
      1.3.2.1 溶质在在超临界流体中的二元扩散系数  27-29
      1.3.2.2 溶质在含有改性剂的超临界流体中的扩散系数  29-30
    1.3.3 扩散系数的理论模型  30-43
      1.3.3.1 以流体力学为基础的计算模型  31-34
      1.3.3.2 以硬球或粗糙硬球理论为基础的计算模型  34-40
      1.3.3.3 以自由体积理论为基础的经验关联计算模型  40-42
      1.3.3.4 多元混合体系模型  42-43
  1.4 本文的研究思路  43-46
第2章 超临界流体的物化性质对溶质扩散系数的影响  46-77
  2.1 前言  46-47
  2.2 实验理论  47-50
    2.2.1 扩散系数计算方法  47-48
    2.2.2 Taylor分散法的误差来源及适用条件  48-50
      2.2.2.1 流动状态和二次流  48-49
      2.2.2.2 扩散柱放置  49
      2.2.2.3 压力、温度及流速  49
      2.2.2.4 进样体积和初始分散  49-50
      2.2.2.5 管壁对溶质的吸附  50
      2.2.2.6 紫外吸收波长  50
  2.3 实验部分  50-53
    2.3.1 实验材料  50-51
    2.3.2 实验装置  51
    2.3.3 实验步骤  51-52
    2.3.4 实验条件  52-53
  2.4 实验结果及讨论  53-75
    2.4.1 溶质在超临界CO_2中的二元扩散系数  55-66
      2.4.1.1 扩散系数与压力的关系  55-58
      2.4.1.2 扩散系数与温度的关系  58-62
      2.4.1.3 扩散系数与密度的关系  62-64
      2.4.1.4 扩散系数与粘度的关系  64-66
    2.4.2 溶质在含有乙醇的超临界CO_2中的三元扩散系数  66-69
    2.4.3 扩散系数的模型拟合  69-75
      2.4.3.1 溶质在超临界CO_2中二元扩散系数的模型拟合  69-73
      2.4.3.2 溶质在含有乙醇的超临界CO_2中三元扩散系数的模型拟合  73-75
  2.5 本章小结  75-77
第3章 超临界CO_2中溶质扩散系数的共溶剂效应  77-105
  3.1 前言  77-78
  3.2 实验部分  78-79
    3.2.1 实验材料  78
    3.2.2 实验装置与实验步骤  78
    3.2.3 实验条件  78-79
  3.3 实验结果及讨论  79-102
    3.3.1 溶质—改性剂分子间作用力对扩散系数的影响  79-96
      3.3.1.1 溶质在夹带改性剂的超临界CO_2与纯CO_2中扩散系数的比较  81-86
      3.3.1.2 改性剂类型对扩散系数的影响  86-92
      3.3.1.3 改性剂浓度对扩散系数的影响  92-94
      3.3.1.4 流体温度及压力对扩散系数的影响  94-96
    3.3.2 溶质构型对扩散系数的影响  96-102
      3.3.2.1 无氢键作用溶质的构型对扩散系数的影响  97-99
      3.3.2.2 有氢键作用溶质的构型对扩散系数的影响  99-102
  3.4 本章小结  102-105
第4章 扩散系数与分子间作用力关联性的量子化学研究  105-137
  4.1 前言  105
  4.2 计算方法  105-108
    4.2.1 计算理论  105-106
    4.2.2 计算基组  106
    4.2.3 计算细节  106-108
      4.2.3.1 溶质、CO_2及改性剂单体的构型优化  106-107
      4.2.3.2 溶质—改性剂复合物构型的优化  107
      4.2.3.3 溶质—改性剂—CO_2复合物构型的优化  107-108
      4.2.3.4 NBO和AIM分析  108
  4.3 溶质和改性剂单体的量子化学分析  108-111
    4.3.1 构型分析及静电势分析  108-110
    4.3.2 电荷布局分析  110-111
  4.4 扩散系数与分子间作用力关联性的量子化学研究  111-135
    4.4.1 夹带四氢呋喃的CO_2体系  111-124
      4.4.1.1 四氢呋喃—溶质相互作用的量子化学研究  111-120
      4.4.1.2 CO_2中四氢呋喃—溶质相互作用的量子化学研究  120-122
      4.4.1.3 分子间作用力与共溶剂效应参数相关性  122-124
    4.4.2 夹带甲醇的CO_2体系  124-135
      4.4.2.1 甲醇—溶质相互作用的量子化学研究  124-131
      4.4.2.2 CO_2中甲醇—溶质相互作用的量子化学研究  131-134
      4.4.2.3 分子间作用力与共溶剂效应参数相关性  134-135
  4.5 本章小结  135-137
第5章 超临界CO_2及含有改性剂的CO_2中扩散系数的线性溶剂化能(LSER)模拟  137-175
  5.1 前言  137-138
  5.2 线性溶剂化能相关的原理及应用  138-141
    5.2.1 LSER的基本原理  138-139
    5.2.2 LSER在超临界体系中的应用  139-140
    5.2.3 LSER拟合溶质在流体中的扩散系数  140-141
  5.3 实验部分  141-146
    5.3.1 溶质的选择及溶质的显色参数  141-145
    5.3.2 实验材料  145
    5.3.3 实验步骤与实验条件  145-146
    5.3.4 统计分析方法  146
  5.4 实验结果与讨论  146-173
    5.4.1 超临界CO_2中溶质扩散系数的LSER模型  148-153
      5.4.1.1 LSER模型构建及回归系数分析  148-151
      5.4.1.2 分子间作用力对溶质扩散的影响  151
      5.4.1.3 模型检验  151-153
    5.4.2 夹带四氢呋喃的超临界CO_2中溶质扩散系数的LSER模型  153-163
      5.4.2.1 LSER模型构建及回归系数分析  153-159
      5.4.2.2 分子间作用力对溶质扩散的影响  159
      5.4.2.3 模型检验  159-163
    5.4.3 夹带甲醇的超临界CO_2中溶质扩散系数的LSER模型  163-173
      5.4.3.1 LSER模型构建及回归系数分析  163-169
      5.4.3.2 分子间作用力对溶质扩散的影响  169
      5.4.3.3 模型检验  169-173
  5.5 本章小结  173-175
第6章 结论与展望  175-179
  6.1 结论  175-178
  6.2 展望  178-179
参考文献  179-192
作者简介及在学期间所取得的科研成果  192-193

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工过程（物理过程及物理化学过程） > 分离过程 > 单相系液态混合物的分离过程 > 抽取（液-液萃取）
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