КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 541.133
ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ СМЕСЕЙ ВОДЫ С МЕТАНОЛОМ, ЭТАНОЛОМ И ПРОПАНОЛОМ
© 2015 г. Ю. М. Артемкина1, В. В. Щербаков, Е. Н. Короткова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125047, Москва, Миусская пл., 9, Россия Поступила в редакцию 18.04.2014 г.
Проанализирована высокочастотная (ВЧ) электропроводность (ЭП) смесей воды с метанолом, этанолом и пропанолом. Показано, что предельная ВЧ ЭП уменьшается с ростом содержания спирта в смеси, в то время как ВЧ ЭП на частоте 2455 МГц проходит через максимум. С использованием микроволновой системы Discover Bench Mate на частоте 2455 МГц определена скорость ВЧ-нагревания исследуемых водных растворов спиртов. Установлено, что максимальная скорость ВЧ-нагревания наблюдается в растворах с наибольшей ВЧ-проводимостью.
Ключевые слова: высокочастотная электропроводность, водно-органические смеси, вода, метанол, этанол, пропанол, микроволновый нагрев
DOI: 10.7868/S0424857015020036
Важнейшим достоинством применения сверхвысокочастотного (СВЧ) облучения в химии и в химической технологии является то, что энергия этого излучения равномерно поглощается по всему объему реакционной смеси [1, 2]. При этом, варьируя параметрами СВЧ-облучения, можно избирательно воздействовать на различные компоненты. В результате воздействия электромагнитного ВЧ-излучения на твердые, жидкие и газообразные среды представляется возможным существенно повысить эффективность различных химических процессов [2, 3].
Для эффективного использования СВЧ-излу-чения в химии и в химической технологии необходимо определить оптимальные условия проведения микроволновой обработки реакционной смеси. Это в первую очередь касается процессов, протекающих в индивидуальных и смешанных полярных растворителях, поскольку именно в них реализуется значительное количество химико-технологических процессов.
В работах [4, 5] проанализирована высокочастотная (ВЧ) электропроводность (ЭП) смесей воды с ацетоном, ацетонитрилом, диметилсульфок-сидом (ДМСО), диметилформамидом (ДМФА) и карбамидом. В этих работах показано, что при увеличении концентрации ацетона, ацетонитри-ла, ДМСО и ДМФА ВЧ ЭП на частоте 2455 МГц проходит через максимум, а в смесях воды с кар-
1 Адрес автора для переписки: yulyart@muctr.ru (Ю.М. Артемкина).
бамидом ВЧ ЭП возрастает с ростом его концентрации. В результате были определены оптимальные условия поглощения микроволновой энергии исследованными водно-органическими смесями, которые были подтверждены экспериментами по микроволновому нагреву исследуемых растворов. В смесях воды с ацетоном, ацетонитрилом, ДМСО и ДМФА скорость ВЧ-нагрева при повышении концентрации органического компонента проходит через максимум, а в смесях воды с карбамидом увеличивается. При этом максимальная скорость ВЧ-нагревания наблюдалась в растворах с наибольшей ВЧ-проводимостью. В настоящей работе проводится анализ ВЧ-проводимости смесей воды с метанолом, этанолом и пропанолом, а также обсуждаются результаты эксперимента по микроволновому нагреву этих водно-органических смесей.
Диэлектрические характеристики рассматриваемых водно-спиртовых растворов одинаковым образом изменяются при увеличении концентрации органической компоненты. В частности, статическая диэлектрическая проницаемость (ДП) раствора уменьшается при добавлении спирта к воде, тогда как время дипольной диэлектрической релаксации т увеличивается [6]. Повышение температуры приводит к снижению величин и т всех рассматриваемых водно-органических смесей. Влияние состава и температуры на статическую ДП и время дипольной релаксации т необходимо учитывать в связи с тем, что именно эти два параметра, как ниже будет показано, опреде-
211
7*
Таблица 1. Время дипольной диэлектрической релаксации т (пс), предельная ВЧ ЭП кот(См/м) и ВЧ ЭП к (См/м) на частоте 2455 МГц смесей воды с метанолом
СН3ОН, г = 10°с г = 25°С г = 40°с
об. % т к от к т к от к т к от к
0 11.7 59.4 2.00 8.3 83.5 1.34 5.9 111.7 0.90
10 16.2 43.9 2.59 10.6 62.6 1.64 7.5 82.4 1.10
20 21.1 32.2 3.08 13.6 46.7 1.96 9.5 61.9 1.31
25 23.6 28.1 3.27 15.2 40.7 2.11 10.6 53.9 1.42
30 26.1 24.6 3.44 16.8 35.6 2.25 11.8 47.1 1.52
40 31.4 19.2 3.65 20.4 27.5 2.49 14.5 36.1 1.71
50 37.0 15.2 3.73 24.4 21.5 2.66 17.4 27.9 1.86
60 42.7 12.1 3.67 28.6 16.8 2.75 20.6 21.6 1.98
70 48.8 9.68 3.50 33.2 13.2 2.74 24.1 16.7 2.03
80 55.0 7.68 3.22 38.2 10.2 2.63 27.9 12.8 2.01
90 61.5 6.03 2.86 43.4 7.86 2.43 32.1 9.76 1.92
100 68.3 4.64 2.44 49.0 5.90 2.15 36.5 7.25 1.74
ляют поглощаемую веществом энергию СВЧ электромагнитного поля.
При наложении на вещество ВЧ электромагнитного поля напряженностью Е поглощаемая веществом мощность Р прямо пропорциональна величине его высокочастотной электропроводности к [7]:
Р = к Е2 = юео8м. (1)
В этом выражении ю — круговая частота, ео — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, е''— коэффициент диэлектрических потерь.
В дипольной релаксационной области зависимость активной к составляющей комплексной ЭП полярного растворителя от частоты описывается выражением [8]:
к =
к„
;(сох)2,
(2)
1 + (сох)
в котором величина кот — предельная ВЧ ЭП полярного растворителя. Предельная ВЧ ЭП определяется отношением статической диэлектрической проницаемости к времени дипольной диэлектрической релаксации т [9]:
кт — '
(3)
При повышении частоты электромагнитного поля происходит увеличение активной составляющей ВЧ ЭП к, которая при условии ют >1 достигает своего предельного максимального значения, равного кот [9].
Для установления оптимальных условий поглощения исследуемыми смешанными растворителями энергии СВЧ-излучения на промыш-
ленной частоте 2455 МГц необходимо проанализировать характер изменения ВЧ ЭП этих растворителей в зависимости от их состава и температуры. В табл. 1—3 приводятся значения времени дипольной диэлектрической релаксации т, предельной ВЧ ЭП кот и ВЧ ЭП к на частоте 2455 МГц смесей воды с метанолом, этанолом и пропанолом. Величины к рассчитывались по уравнению (2), а кот — по уравнению (3) на основе приведенных в работах [6, 10—14] величин статической ДП ек и времени дипольной диэлектрической релаксации т воды, спиртов и водно-спиртовых растворов.
Как следует из приведенных в таблицах данных, при увеличении содержания спирта происходит снижение предельной ВЧ ЭП всех водно-органических растворов. Наблюдаемое уменьшение кот обусловлено увеличением с ростом концентрации спирта времени дипольной диэлектрической релаксации т и понижением статической диэлектрической проницаемости ек [6]. В то же время рассчитанная на частоте 2455 МГц активная ВЧ ЭП к с ростом содержания органической компоненты проходит через максимум, положение которого, как ниже будет показано, совпадает с экстремумом на зависимостях скорости ВЧ-нагревания растворов от их состава.
Аналогичные экстремальные зависимости ВЧ-проводимости водно-органических растворов от концентрации органической компоненты нами установлены и для смесей воды с ацетоном, ацетонитрилом, ДМСО и ДМФА [4, 5]. Следует, однако, отметить различную природу концентрационного максимума ВЧ-проводимости рассматриваемых систем. В смесях воды с ацетоном, аце-тонитрилом, ДМСО и ДМФА экстремум ВЧ ЭП
т
ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ СМЕСЕЙ ВОДЫ
213
Таблица 2. Время дипольной диэлектрической релаксации т (пс), предельная ВЧ ЭП кот(См/м) и ВЧ ЭП к (См/м) на частоте 2455 МГц смесей воды с этанолом
С2Н5ОН, об. % г = 10°С г = 25°С г = 40°С
т к от к т к от к т к от к
10 21.2 33.2 3.20 14.1 46.4 2.09 9.9 61.5 1.40
20 28.7 23.1 3.79 19.5 31.5 2.61 13.6 41.9 1.77
25 35.0 18.2 4.11 23.2 25.4 2.88 16.2 33.9 1.99
30 39.4 15.7 4.24 26.1 21.8 3.06 18.3 28.8 2.13
40 47.6 12.0 4.20 31.6 16.6 3.18 22.0 22.0 2.27
50 57.3 9.00 3.95 38.1 12.4 3.18 26.7 16.3 2.36
60 66.0 6.98 3.55 44.1 9.60 3.02 30.8 12.6 2.31
70 82.9 4.87 3.02 54.6 6.78 2.81 38.1 8.89 2.28
80 107 3.24 2.37 71.0 4.45 2.43 50.0 5.78 2.15
90 165 1.76 1.53 110 2.40 1.78 80.0 3.01 1.82
100 235 1.01 0.94 161 1.34 1.15 105 1.85 1.34
Таблица 3. Время дипольной диэлектрической релаксации т (пс), предельная ВЧ ЭП кот(См/м) и ВЧ ЭП к (См/м) на частоте 2455 МГц смесей воды с пропанолом
С3Н7ОН, г = 10°С г = 25°С г = 40°С
об. % т к от к т к от к т к от к
10 25.0 28.3 3.66 16.5 39.4 2.39 12.0 50.3 1.67
20 37.5 17.5 4.39 25.0 23.8 3.08 17.0 32.7 2.10
25 43.5 14.4 4.48 29.0 19.6 3.26 20.0 26.4 2.30
30 50.0 12.0 4.46 33.0 16.3 3.36 23.0 21.8 2.43
40 62.5 8.54 4.11 41.6 11.5 3.35 29.0 15.3 2.55
50 73.9 6.31 3.57 49.0 8.51 3.09 34.0 11.3 2.45
60 86.0 4.65 2.97 57.0 6.26 2.73 37.2 8.23 2.27
70 114 2.96 2.24 76.0 3.96 2.29 40.0 5.21 2.09
80 160 1.75 1.51 106 2.37 1.73 74.0 3.09 1.75
90 270 0.87 0.82 179 1.18 1.05 125 1.52 1.19
100 353 0.57 0.55 267 0.68 0.64 187 0.86 0.77
объясняется существованием максимума на зависимости времени диэлектрической релаксации от состава водно-органической смеси [6]. При этом положение максимума т по оси концентраций совпадает с экстремумом ВЧ ЭП на частоте 2455 МГц [4, 5]. В водных растворах спиртов, как выше отмечалось, наблюдается монотонное увеличение времени дипольной релаксации с ростом содержания спирта [6, 11—13].
Согласно уравнениям (2) и (3) ВЧ-проводи-мость сложным образом зависит от частоты электромагнитного поля ю, статической ДП и времени дипольной диэлектрической релаксации т. Если (ют)2 ^ 1, то уравнение (2) преобразуется к виду:
к = кот(ют)2 = 85еою2т. (4)
В рассматриваемых водно-спиртовых растворах при переходе от воды к спирту статическая ДП уменьшается в 2.5—4 раза [6, 10—14], а время ди-
польной диэлектрической релаксации увеличивается в 6—30 раз (табл. 1—3). Поэтому, при условии (ют)2 ^ 1 ВЧ ЭП будет увеличиваться с ростом содержания спирта в растворе согласно уравнению (4).
При условии (ют)2 > 1 уравнение (2) переходит в уравнение (3) (к = кот). В результате, согласно уравнению (3), ВЧ ЭП будет уменьшаться с ростом концентрации спирта, поскольку при ее увеличении происходит снижение статической ДП и возрастание времени диэлектрической релаксаци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.