焦永斌,王金英
(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,太原 030051)
純凈物質(zhì)在達(dá)到特定的溫度、壓力時(shí),會(huì)出現(xiàn)液體與氣體界面消失的現(xiàn)象。此時(shí),純凈物質(zhì)達(dá)到臨界點(diǎn)。超臨界流體指的是處于臨界點(diǎn)以上溫度和壓力區(qū)域下的流體。根據(jù)超臨界流體接近于液體的密度,接近于氣體的黏度等獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),衍生出許多超臨界流體技術(shù)。比如:超臨界水氧化技術(shù)、超臨界流體萃取技術(shù)等[1-2]。
超臨界二氧化碳具有特殊的溶解能力,對(duì)有機(jī)化合物的溶解度增加的能力是驚人的,甚至能增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。臨界條件容易達(dá)到,化學(xué)性質(zhì)不活潑,無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒,安全性好,價(jià)格便宜,純度高,容易獲得等諸多優(yōu)點(diǎn),成為了超臨界技術(shù)中研究最廣泛,應(yīng)用最多的流體[4]。根據(jù)超臨界流體技術(shù)的不同要求,二氧化碳所起的作用不同。在超臨界流體快速膨脹法中,超臨界二氧化碳是溶劑;而在超臨界流體技術(shù)的氣體反溶劑法中,超臨界二氧化碳是反溶劑。
溶解度是指在一定溫度下,在一定量溶劑中達(dá)飽和時(shí)溶解的最大藥量,是反映藥物溶解性的重要指標(biāo)。有機(jī)溶劑是能溶解一些不溶于水的物質(zhì)(如油脂、蠟、樹(shù)脂、橡膠、染料等)的一類(lèi)有機(jī)化合物,其特點(diǎn)是在常溫常壓下呈液態(tài),具有較大的揮發(fā)性,在溶解過(guò)程中,溶質(zhì)與溶劑性質(zhì)均無(wú)改變。有機(jī)溶劑按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為十類(lèi),其中常用的有機(jī)溶劑包括乙醇、丙酮、乙酸乙酯、苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯乙二醇醚和三乙醇胺等[5]。其中,在硝胺類(lèi)炸藥有關(guān)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用到的有機(jī)溶劑有丙酮、乙酸乙酯、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺等。
在超臨界流體技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,經(jīng)常涉及到物質(zhì)在超臨界二氧化碳中的溶解度問(wèn)題。比如,在超臨界流體萃取技術(shù)中,待萃取物質(zhì)在超臨界二氧化碳中的溶解度是重要的參數(shù);在超臨界流體技術(shù)反溶劑法中,有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度是選擇有機(jī)溶劑的重要依據(jù)。由于各領(lǐng)域?qū)W⒌奈镔|(zhì)不同,因此不同領(lǐng)域的研究人員測(cè)試的在超臨界二氧化碳中的溶解的物質(zhì)可能并不完全是有機(jī)溶劑,更有可能不是溶劑,而是固體物質(zhì)。那么這些方法是否同樣適用于液體物質(zhì)有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其方法可以作為測(cè)試有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中溶解度測(cè)試方法的參考。通過(guò)比較各種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn),以期得到硝胺類(lèi)炸藥用有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試的適合方法。
自1879年Hannay和Hogarth[6]發(fā)現(xiàn)固體可以溶解在超臨界流體中以來(lái),物質(zhì)在超臨界流體中的溶解現(xiàn)象成為了學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。通過(guò)總結(jié)物質(zhì)在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試方法,希望能找出適合測(cè)試用于炸藥的有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中溶解度的方法。
隨著超臨界流體技術(shù)在諸多領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用,有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度成為溶劑選擇的重要依據(jù)。各領(lǐng)域的研究人員采用適合于本領(lǐng)域的方法對(duì)超臨界工藝中使用的有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可以作為硝胺類(lèi)炸藥用有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試的重要參考。各種測(cè)試方法及其特點(diǎn)如表1所示。
靜態(tài)法是將已知質(zhì)量的待測(cè)溶劑放入一個(gè)密封的系統(tǒng)中,在不同溫度下調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力,使之完全溶解在超臨界二氧化碳中,此時(shí)的壓力稱(chēng)為溶解壓力。根據(jù)溶解壓力和溶解溫度在IUPAC國(guó)際熱力學(xué)數(shù)據(jù)中查取超臨界二氧化碳的密度,然后計(jì)算出該溶劑在超臨界二氧化碳中的摩爾分?jǐn)?shù)。最后得到溶解溫度和溶解壓力下溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度。
楊海健等[7]采用靜態(tài)法測(cè)試了乙二醇單甲醚在超臨界二氧化碳中的溶解度,測(cè)試溫度分別為313,323,333,343,353和363 K,壓力為8.2~18.3 MPa;并利用2種半經(jīng)驗(yàn)公式Bartle和Chrastil對(duì)溶解度進(jìn)行了計(jì)算和關(guān)聯(lián),測(cè)試結(jié)果表明在363 K、15.1 MPa時(shí),乙二醇單甲醚在超臨界二氧化碳中溶解的摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)5.2%。結(jié)果表明:溶解度的實(shí)驗(yàn)值與理論值具有良好的一致性,其平均相對(duì)偏差范圍為8.88%~16.72%。該方法測(cè)得的溶解度具有較高的準(zhǔn)確性。由于目標(biāo)物質(zhì)在超臨界CO2中的良好溶解性能,可成為新型高效的萃取劑,為超臨界CO2中有機(jī)物質(zhì)或重金屬離子的萃取提供溶解性參考。
表1 物質(zhì)在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試方法匯總表
乙二醇單甲醚含有親CO2的醚鍵、烷基等基團(tuán),理論上在超臨界CO2中具有良好的溶解性能,主要用作油脂、硝化纖維素、合成樹(shù)脂、醇溶性染料和乙基纖維素的溶劑。在硝胺類(lèi)炸藥的表面改性,如硝胺類(lèi)炸藥的微膠囊化方面,乙二醇單甲醚可作為壁材的溶劑。在采用超臨界二氧化碳技術(shù)對(duì)硝胺炸藥進(jìn)行微膠囊化操作過(guò)程中,需要參考壁材溶劑在超臨界CO2中的溶解度。因此靜態(tài)法測(cè)試有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度對(duì)于硝胺類(lèi)炸藥的微膠囊化過(guò)程中的溶劑選擇來(lái)說(shuō),具有重要的參考意義。
雖然靜態(tài)法應(yīng)用廣泛,但此法的采樣分析系統(tǒng)往往較為復(fù)雜和昂貴,且達(dá)到相平衡的時(shí)間較長(zhǎng),限制了它的應(yīng)用[8]。
動(dòng)態(tài)法也稱(chēng)流動(dòng)法,穩(wěn)定流動(dòng)的超臨界二氧化碳與待測(cè)物質(zhì)接觸并將其溶解,操作高壓六通閥進(jìn)行取樣,由定量管收集樣品后進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)既可以通過(guò)降壓分離,用溶劑吸收后再定量分析,又可以將高壓檢測(cè)器與此系統(tǒng)耦合,不需要降壓直接進(jìn)行檢測(cè)。無(wú)論哪種方法,其技術(shù)要求都比較簡(jiǎn)單,所獲數(shù)據(jù)也有足夠的準(zhǔn)確性。
任其龍等[9]采用流動(dòng)法測(cè)定萘在超臨界二氧化碳中的溶解度,取樣裝置采用高壓六通閥,在樣品流經(jīng)加熱的調(diào)壓閥之前就將樣品取出,消除了因?yàn)檎{(diào)壓閥堵塞造成的試驗(yàn)誤差。
陳興權(quán)等[10]采用動(dòng)態(tài)法測(cè)定了布洛芬在超臨界二氧化碳中的溶解度。結(jié)果表明,隨著溫度的升高,溶解度降低;隨著壓力的升高其溶解度增大。
趙川等[11]采用流動(dòng)法測(cè)定了若丹明6G在超臨界二氧化碳中的溶解度,并探討了系統(tǒng)溫度、壓力以及共溶劑對(duì)溶解度的影響。結(jié)果表明,壓力升高、加入共溶劑都會(huì)促進(jìn)溶質(zhì)在超臨界二氧化碳中的溶解。溫度對(duì)溶解度的影響比較復(fù)雜,在低壓區(qū),溶解度隨著溫度的上升而降低,在高壓區(qū),溶解度隨著溫度的上升而升高。
但萘、布洛芬和染料若丹明6G在常溫常壓下均為固體,動(dòng)態(tài)法是否適合測(cè)量有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。初步認(rèn)定此方法可以作為硝胺類(lèi)炸藥用有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試方法的參考。
與靜態(tài)法相比,動(dòng)態(tài)法雖然取樣過(guò)程比較簡(jiǎn)單,但存在著取樣時(shí)易造成相平衡的破壞而導(dǎo)致溶質(zhì)析出的問(wèn)題,同時(shí)如何判斷系統(tǒng)是否真正達(dá)到平衡也是該法在操作過(guò)程中的難點(diǎn)。
差重法是指溶劑的量一定,溶質(zhì)與溶劑充分接觸并溶解后,通過(guò)直接測(cè)定剩余溶質(zhì)的量,計(jì)算與溶質(zhì)初始值的差重來(lái)得到被溶解的溶質(zhì)的量。從而計(jì)算被溶解的溶質(zhì)的量與已知溶劑的量的比值得到溶解度。差重法原理簡(jiǎn)單,但誤差較大。
王保國(guó)等[12]采用固定體積-減量法,結(jié)合超臨界流體半連續(xù)工藝,在不同溫度和不同壓力下,測(cè)試了丙酮、乙酸乙酯在超臨界CO2中的溶解度。探討了系統(tǒng)溫度和系統(tǒng)壓力對(duì)溶解度的影響,并對(duì)兩者之間的溶解度差別進(jìn)行了理論分析。
周春平等[13]采用差重法,用超臨界萃取裝置測(cè)定了溫度為 303.15 K,313.15 K,323.15 K,壓力為 8.5 ~25.0 MPa條件下,磷酸三丁酯(TBP)在超臨界二氧化碳中的溶解度,并根據(jù)溶劑化締合理論、相平衡規(guī)則及高壓對(duì)溶劑化平衡的影響建立了溶解度的數(shù)學(xué)模型。
王琳等[14]采用固定體積可視法結(jié)合差重法測(cè)定了313 K,333 K溫度下不同壓力范圍內(nèi)乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇在超臨界CO2中的溶解度數(shù)據(jù),并利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合。測(cè)定結(jié)果表明,在相同溫度下,隨著CO2密度的升高,溶質(zhì)在氣相中的溶解度升高。擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,為該體系超臨界萃取條件的確立和指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
差重法是各領(lǐng)域研究人員在各自的超臨界裝置中可以直接進(jìn)行測(cè)量有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度的方法。對(duì)于從事超臨界流體技術(shù)研究的人員來(lái)說(shuō),在他們所使用的超臨界設(shè)備中,這種方法更直接地,更有針對(duì)性地反映了他們所使用的有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解性。同樣適用于硝胺類(lèi)炸藥用有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試。
色譜法是將超臨界流體萃取和超臨界流體色譜耦合,在線測(cè)定溶質(zhì)的溶解度,或通過(guò)溶質(zhì)的保留行為來(lái)確定其在超臨界流體中的溶解度的方法。
超臨界流體色譜使用超臨界流體作為流動(dòng)相起源于20世紀(jì)60年代[15],自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始得到迅速發(fā)展,但主要是用于分析工作。20世紀(jì)80年代超臨界流體色譜開(kāi)始用于測(cè)定熱力學(xué)性質(zhì),如兩相中溶質(zhì)的偏摩爾體積和偏摩爾焓、固定相與流動(dòng)相之間溶質(zhì)的分配系數(shù)[16]。Stachl使用超臨界流體萃取和薄層色譜來(lái)測(cè)定超臨界流體中固體的溶解度,這對(duì)測(cè)定溶解度的壓力閾值并獲得密度變化對(duì)溶解度的定性說(shuō)明,無(wú)疑是有益的。Saito[17]和 Skelton[18]等報(bào)道了直接耦合的超臨界流體萃取 /超臨界流體色譜,這一類(lèi)系統(tǒng)使用紫外檢測(cè)器,利用紫外吸收來(lái)測(cè)定復(fù)雜物質(zhì)的溶解度,對(duì)無(wú)紫外吸收的溶質(zhì)就顯得無(wú)能為力了。
Johannsen等[19]描述了用于測(cè)量物質(zhì)在超臨界流體中溶解度的超臨界色譜系統(tǒng),并測(cè)定了1,3-二甲基黃嘌呤和3,7-二甲基黃嘌呤在超臨界二氧化碳中的溶解度。
趙鎖奇等[20]開(kāi)發(fā)了一種測(cè)定超臨界二氧化碳中大分子溶質(zhì)的溶解度方法。這一方法將微型超臨界流體萃取直接與超臨界色譜相耦合。實(shí)驗(yàn)中兩者具有同一壓力、溫度及同樣的CO2流速。使用了模型溶質(zhì)萘、聯(lián)苯和菲來(lái)驗(yàn)證此方法,并得到了溫度在308~330 K,壓力8.0~12.0 MPa間溶質(zhì)的等壓溶解度曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)值相符,定量顯示了在溶劑近臨界區(qū)域固體/超臨界流體二元體系的相平衡特性。這一方法適用于重溶質(zhì)在CO2中溶解度的測(cè)量。同樣可以作為有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中溶解度測(cè)定的參考。
在超臨界流體技術(shù)中,氣體抗溶劑法適用于不易溶于超臨界二氧化碳的物質(zhì)。作為反溶劑,超臨界二氧化碳在短時(shí)間內(nèi)將有機(jī)溶劑萃取從而使溶質(zhì)析出。萃取的快慢與超臨界狀態(tài)下有機(jī)溶劑在二氧化碳中的溶解度有直接的關(guān)系。因此,在超臨界二氧化碳中的溶解度是選擇有機(jī)溶劑的重要依據(jù)。
超臨界流體技術(shù)是在臨界溫度和臨界壓力下進(jìn)行的,降壓、分離的測(cè)定方法會(huì)造成樣品的測(cè)量誤差從而嚴(yán)重影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。超臨界狀態(tài)下的實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)需后續(xù)的采樣和儀器分析,在保持體系平衡狀態(tài)下測(cè)定溶解度,避免了高溫高壓下進(jìn)行采樣而破壞體系平衡狀態(tài)的問(wèn)題。
董重[21]采用石英毛細(xì)管法建立了石英毛細(xì)管結(jié)合顯微鏡錄像溶解度測(cè)定系統(tǒng),在溫度為77.6~183.8℃范圍內(nèi),測(cè)得乙醇在超臨界二氧化碳中的溶解度為0.085~0.485(mg/mg),發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高溶解度呈指數(shù)增加,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到乙醇在超臨界二氧化碳中的溶解度方程。
但是此方法在升溫的同時(shí)壓力也升高,因此得出的隨著溫度的升高,乙醇在超臨界二氧化碳中的溶解度呈指數(shù)增加的這一結(jié)論并不準(zhǔn)確。這是因?yàn)榇朔椒](méi)有檢測(cè)壓力的變化,因此在表述溶解度變化的時(shí)候,沒(méi)有提到壓力值。
硝胺類(lèi)炸藥用有機(jī)溶劑:丙酮、乙酸乙酯、二甲基亞砜和二甲基甲酰胺等在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試可以用此方法。
影響溶解度的因素可以分為內(nèi)在因素和外在因素2類(lèi)。內(nèi)在因素包括物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、溶質(zhì)與溶劑分子間作用力;外在因素包括溫度、壓力、共溶劑和PH值等。影響有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度的因素主要有以下2個(gè)方面。
物質(zhì)分子是否具有極性主要是取決于物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和組成。物質(zhì)分子的極性大小用偶極矩來(lái)衡量,分子的偶極矩又與分子的對(duì)稱(chēng)性密切相關(guān)。溶質(zhì)與溶劑是否具有極性決定著二者是否相溶,極性大小則在一定程度上決定著溶解度的大?。?2]。二氧化碳分子是非極性分子,根據(jù)相似相容原理,非極性的有機(jī)溶劑更易溶于超臨界二氧化碳,溶解度更大。
實(shí)際應(yīng)用中,常常需要將大分子的有機(jī)化合物溶于超臨界二氧化碳,這些有機(jī)化合物大多都具有極性,在超臨界二氧化碳中的溶解度很小。此時(shí)可以通過(guò)加入共溶劑來(lái)增加溶解度。
張建君等[23]考察了加入正己烷、丙酮、乙醇3種共溶劑時(shí)苯甲酸在超臨界二氧化碳中的溶解度的變化情況。結(jié)果表明加入3種共溶劑,其溶解度分別提高了0.4倍,1.3倍和3倍。作用機(jī)理是苯甲酸分子和共溶劑分子之間形成氫鍵。在某些情況下,混合共溶劑的使用可取得更好的效果。
金君素等[24]首次報(bào)道了苯甲酸在含混合共溶劑的超臨界二氧化碳中的溶解度數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)表明,混合共溶劑的使用使得超臨界二氧化碳對(duì)溶質(zhì)的溶解能力更強(qiáng),作用機(jī)理同樣是苯甲酸分子和共溶劑分子之間形成氫鍵。
超臨界二氧化碳具有高密度,低黏度的特點(diǎn),其密度接近液體,因此具備近似液體的溶解能力,近似為密度的指數(shù)函數(shù)[8]1。二氧化碳的密度越高,物質(zhì)的溶解度越高。因此控制影響超臨界二氧化碳密度的參數(shù)即可調(diào)整溶解度大小。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),二氧化碳的密度與系統(tǒng)溫度和系統(tǒng)壓力有直接關(guān)系。
符史良等[25]用超臨界二氧化碳從香草蘭中萃取香蘭素,考察了溫度和壓力對(duì)萃取的影響。研究結(jié)果表明,適當(dāng)增加壓力,會(huì)增加二氧化碳的密度,增加溶解度,利于萃取。但在高壓下二氧化碳密度較大,可壓縮性較小,增加壓力對(duì)溶質(zhì)的溶解度影響很小。而在給定溫度下,擴(kuò)散系數(shù)與壓力成反比[26],增加壓力使擴(kuò)散系數(shù)減小而不利于萃取,因此存在一個(gè)最佳萃取壓力。而萃取溫度取決于升溫所增加的擴(kuò)散系數(shù)與所降低的二氧化碳密度2種效應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。升溫一方面增加溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)而有利于萃取,而另一方面卻因降低了二氧化碳的密度,使溶質(zhì)的溶解度降低而不利于萃取,因此也存在一個(gè)最佳的萃取溫度[8]3。
超臨界二氧化碳的溶解性是研究人員在超臨界流體技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中極為關(guān)注的一個(gè)特性,本文通過(guò)總結(jié)物質(zhì)在超臨界二氧化碳中溶解度的測(cè)試方法,綜述了各種方法的原理、特點(diǎn)以及具體的應(yīng)用情況,各領(lǐng)域的研究人員可以根據(jù)各自的情況選擇測(cè)試方法。
針對(duì)硝胺類(lèi)炸藥用有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度的測(cè)試方法的探究,參考前人所使用的測(cè)試方法具有很好的借鑒意義。通過(guò)改進(jìn),使得傳統(tǒng)測(cè)試方法更適應(yīng)先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)工藝的要求。
本文從有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度測(cè)試方法角度綜述了最常用的幾種測(cè)試方法,并得出在超臨界流體技術(shù)反溶劑法中測(cè)試有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳的溶解度方法應(yīng)當(dāng)選用不破壞體系平衡的測(cè)試方法,比如石英毛細(xì)管法。通過(guò)以往研究人員的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出影響有機(jī)溶劑在超臨界二氧化碳中的溶解度的因素主要是系統(tǒng)溫度、系統(tǒng)壓力以及有機(jī)溶劑自身的性質(zhì)。
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