田 文，吉俊懿，蔣 煒，余 徽

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

乙醇-環(huán)己烷-水三元液液相平衡實驗條件探索

田 文，吉俊懿，蔣 煒，余 徽

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

以乙醇-環(huán)己烷-水為體系開展本科生三元液液相平衡測定實驗，分析實驗方案的可行性與合理性。該文結(jié)合專業(yè)實驗特點，對設(shè)計實驗中設(shè)備搭建、分析方法等多方面進行綜合考慮，優(yōu)化實驗方案。選取不同溫度測定乙醇-環(huán)己烷-水三元體系的溶解度曲線及平衡聯(lián)結(jié)線，確定最優(yōu)實驗條件。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度為20℃時，反應(yīng)釜內(nèi)實驗現(xiàn)象易于觀察，實驗結(jié)果穩(wěn)定。通過后期實驗數(shù)據(jù)處理，讓學(xué)生學(xué)會分配系數(shù)K，計算選擇性系數(shù)β及利用Origin制圖軟件作圖。

相平衡，溶解度曲線，平衡聯(lián)結(jié)線

為進一步提高本科教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)專業(yè)實驗項目的多元化發(fā)展，提高本科生實驗動手能力和對專業(yè)知識的運用能力，四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院工程實驗中心在現(xiàn)有專業(yè)實驗的基礎(chǔ)上大力進行新實驗項目的建設(shè)工作。三元液液相平衡測定實驗作為化工熱力學(xué)實驗，能為化工原理萃取單元操作確定萃取條件［1］，是溶劑萃取過程和裝置設(shè)計的基礎(chǔ)，受到了廣泛關(guān)注［2－5］，同時該實驗將化工基礎(chǔ)課與專業(yè)課［6］的相關(guān)知識有效結(jié)合，對本科實驗教學(xué)有著重要意義。

本科實驗的建設(shè)應(yīng)從實驗體系、分析方法、實驗安全性等多方面進行綜合考慮。目前，國內(nèi)較多學(xué)校開展了三元液液相平衡實驗，涉及的體系主要為苯-水-醋酸［7－8］，醋酸-水-醋酸乙烯酯和乙醇-環(huán)己烷-水體系［9］等。然而苯的毒性較大，醋酸具有較大的刺激氣味，冰點也較低（16.7℃），無法獲取較低溫度下體系的三元相圖數(shù)據(jù)。因此，從安全性和可操作性考慮，本實驗選擇了毒性較低的乙醇-環(huán)己烷-水三元體系測定溶解度曲線。平衡聯(lián)結(jié)線測試常用的分析方法包括濁點-物性聯(lián)合法、滴定法［9］和色譜分析法［10］等。針對乙醇-環(huán)己烷-水體系，若采用濁點-折光指數(shù)法，易揮發(fā)性的環(huán)己烷與乙醇會導(dǎo)致較大測試誤差；色譜分析法雖然能得到較準確的實驗數(shù)據(jù)，但對色譜柱的要求較高，并且不利于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象；而滴定法能有效地克服上述困難。綜上所述，本文采用乙醇-環(huán)己烷-水三元體系進行三元液系的溶解度曲線測定，并利用滴定法進行平衡聯(lián)結(jié)線的測定實驗。

為了檢測實驗結(jié)果的準確性與穩(wěn)定性，對不同溫度下（15℃、20℃、25℃）三元體系溶解度曲線及平衡聯(lián)結(jié)線測定數(shù)據(jù)，結(jié)合實驗過程中的現(xiàn)象，討論了實驗結(jié)果穩(wěn)定性與測試溫度之間的關(guān)系。同時讓學(xué)生學(xué)會分配系數(shù)K，選擇性系數(shù)β的計算，并利用origin軟件繪制三元相圖，拓展學(xué)生實驗數(shù)據(jù)處理能力。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及設(shè)備

主要設(shè)備：YP1002N萬分之一分析天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；低溫恒溫槽（天津比朗實驗儀器制造有限公司）；79－1磁力加熱攪拌器（常州國華電器有限公司）；特制液夾套反應(yīng)釜（成都凌云玻璃廠）。

1.2 實驗設(shè)備圖

圖1 實驗設(shè)備圖

1.3 實驗方法

1）溶解度曲線的測定

利用恒溫水槽將循環(huán)水注入夾套內(nèi)，如圖1所示。維持反應(yīng)釜內(nèi)溫度（15℃、20℃、25℃）不變，按不同質(zhì)量比稱取環(huán)己烷和蒸餾水分別加入反應(yīng)釜中，攪拌2～3 min使環(huán)己烷和水混合均勻。用醫(yī)用針管抽取無水乙醇向釜內(nèi)滴加，仔細觀察溶液變化，當溶液開始變澄清時立即停止滴加無水乙醇，利用差量法計算無水乙醇的質(zhì)量，根據(jù)烷、醇和水的質(zhì)量比得到溶解度點的位置。

2）平衡雙節(jié)點線的測定

配制一定質(zhì)量比的環(huán)己烷-乙醇-水溶液（系統(tǒng)點），充分攪拌后靜止分層，取一定量水層注入平衡釜內(nèi)，利用差量法得到水層質(zhì)量。用50∶50 wt的乙醇-環(huán)己烷溶液進行滴定，當溶液由濁變清時停止滴加，記錄所用滴定液的量，根據(jù)杠桿規(guī)則在三元相圖中確定水層點的位置，連接系統(tǒng)點確定平衡雙節(jié)點線［5］。

2 結(jié)果與討論

由于水和環(huán)己烷在室溫下的相互溶解度小，因此可忽略互溶情況，在繪制三元相圖時將各點連成平滑曲線并外延到三角形的兩個頂點得到溶解度曲線。如圖2所示，學(xué)生在15℃和20℃下測定的溶解度曲線較穩(wěn)定；在25℃時，得到的溶解度曲線與15℃及20℃的溶解度曲線相比較，相對不穩(wěn)定。這是由于較高溫度下環(huán)己烷與乙醇的揮發(fā)度較大，準確量取與實驗過程中的密封更為困難。

表1為不同溫度下平衡聯(lián)結(jié)線測定數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)點按乙醇∶環(huán)己烷∶水約為1∶1∶2和1∶1∶1的比例進行配制。根據(jù)杠桿規(guī)則，將下層水層的位置在相圖中確定，連接系統(tǒng)點得到平衡聯(lián)結(jié)線，如圖2所示。根據(jù)圖2中平衡聯(lián)結(jié)線的位置讀取共軛相組成，分別計算分配系數(shù)K和選擇性系數(shù)β。

圖2 水-環(huán)己烷-乙醇在不同溫度時的三元相圖

表1 不同溫度平衡聯(lián)結(jié)線測定數(shù)據(jù)

表2 不同溫度共軛相組成、分配系數(shù)及選擇性系數(shù)

如圖3所示為不同溫度實驗過程現(xiàn)象圖，從圖中可以看出，當溫度為15℃時，由于釜內(nèi)溫度低于室溫（小于25℃），釜的外壁會出現(xiàn)霧狀，不便于觀察現(xiàn)象，20℃和25℃時現(xiàn)象觀察較清晰。

圖3 不同溫度實驗過程現(xiàn)象圖

3 討論

3.1可行性與培養(yǎng)目標

針對三元液液相平衡的實驗需求，通過低溫恒溫水浴外循環(huán)將恒溫循環(huán)水注入夾套中，維持釜內(nèi)溫度恒定的同時可便于觀察實驗現(xiàn)象。同時，為了在實驗過程中盡量密封避免溶劑揮發(fā)，在滴定過程中采取注射器刺穿膠塞滴定。實驗中配置兩臺設(shè)備，3個學(xué)生為一組，學(xué)生可親自動手操作，同時又能培養(yǎng)團隊協(xié)作能力，還能在數(shù)據(jù)處理的過程中，學(xué)習(xí)利用Origin制圖軟件繪制三元相圖。

3.2穩(wěn)定性

在本實驗中，乙醇和環(huán)己烷屬于易揮發(fā)物質(zhì)，操作溫度過高溶液容易揮發(fā)，對實驗的結(jié)果影響較大；操作溫度過低，夾套反應(yīng)釜套壁上會產(chǎn)生霧氣影響對溶液清濁變化的判斷。通過實驗結(jié)果分析，環(huán)境溫度在25℃左右，操作溫度在15℃時夾套壁上出現(xiàn)霧氣影響學(xué)生觀察現(xiàn)象，在25℃時測定的溶解度曲線誤差較大，在20℃時進行實驗?zāi)軌蜉^好的保證結(jié)果的準確性與穩(wěn)定性。因此，在進行實驗設(shè)計時，因綜合考慮實驗環(huán)境溫度對實驗結(jié)果的影響。

平衡結(jié)點線的測定中，要保證配置的系統(tǒng)點溶液的充分混合和靜置，抽取下層時會引起擾動，所以針尖進入下層時應(yīng)該穩(wěn)定1～2 min后再抽取下層溶液，將下層溶液注入反應(yīng)釜時需將針尖上的溶液擦凈，同時擠出幾滴溶液防止上層溶液混入。整個操作均在恒溫下進行，防止溫度變化影響溶解度。從實驗結(jié)果看出，用滴定法測定平衡節(jié)點線觀察溶液清—濁—清的變化過程，不僅能得到較好的實驗結(jié)果，同時能讓學(xué)生對三元平衡原理產(chǎn)生更為直觀的認識。

4 結(jié)束語

通過學(xué)生測試數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計的實驗過程及實驗條件基本滿足本科專業(yè)實驗要求，可讓學(xué)生在有限學(xué)時內(nèi)完成并得到較好的實驗結(jié)果，在后期的實驗數(shù)據(jù)處理中，學(xué)生對三元相圖有更深的認識。針對實驗中存在綜合性不足的問題，可通過以下3個方面進一步優(yōu)化完善設(shè)計：1）可通過噴涂消霧劑等方式消除外壁起霧的現(xiàn)象，降低環(huán)境溫度對測試溫度的影響，同時測量低溫下溶解度曲線；2）可讓學(xué)生利用低毒的烷烴類代替環(huán)己烷進行實驗，測量不同體系下三元液液相平衡數(shù)據(jù)；3）在相同的實驗條件下采取不同的分析方法測定平衡聯(lián)結(jié)線，讓學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果對比各種分析方法的利弊。

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Exploration the Experimental Conditions of Ethanol－Cyclohexane－Water System Ternary Liquid Phase Equilibrium

TIAN Wen JI Junyi JIANG Wei YU Hui
（College of Chemical Engineering，SiChuan University，Chengdu 610065，China）

With an ethanol－cyclohexane－water system to carry out a ternary liquid phase equilibrium determination experiment for undergraduate students，this paper analyses the feasibility and rationality of the experiment.Combined with the major experiment characteristics，many experimental details are intergated considered such as experimental equipment building，analysing methods et al to optimizate the experimental programme.Under different temperatures，we determine the solubility curve and balance connection line of ethanol－cyclohexane－water ternary system to ensure the optimal experimental condition.The results show that when the reaction temperature at20℃，the experimental phenomenon in the reaction vessel can be observated clearly，as well as a stable experimental results can be obtained，By later analysing and discussion of the experimental data，students can learn the calculation method of the distribution coefficient K，the selectivity coefficientβ，and the graphical plotting method of the Origin software.

phase equilibrium；solubility curve；balance connection line

O6－3

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.007

2015－08－09；修改日期：2015－09－12

四川大學(xué)實驗技術(shù)立項（2013－44）。

田文（1987－），女，碩士，實驗師，主要從事實驗輔助教學(xué)工作與研究。