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超临界流体技术被誉为绿色、环保、高效的化工新技术,在环境保护意识日益增强的今天,超临界流体技术越来越彰显出其广阔的工业应用前景。固体溶质在超临界体系中相平衡的实验和理论研究是超临界流体萃取科学与技术领域中的基础性研究。本文对固体溶质在超临界二元和三元体系中的相平衡进行了深入系统的研究。论文的主要研究工作如下:
改进和完善了已有的超临界体系相平衡测定装置,采用流动法开展单一/混合固体溶质在超临界二元/三元体系中相平衡的研究,采用紫外分光光度法对相平衡数据进行分析。
测定了单一固体溶质间氨基苯甲酸(3-ABA)和对硝基苯乙酸(4-NPA)在超临界二元(4-NPA+SCCO2)和三元(3-ABA+夹带剂+SCCO2,4-NPA+夹带剂+SCCO2)体系中的相平衡数据,以及等摩尔比混合固体溶质4-NPA和对硝基苯胺(4-NA)在超临界三元(4-NPA+4-NA+SCCO2)体系中的相平衡数据;实验溶剂为超临界二氧化碳;实验压力范围为8-21 MPa;实验温度范围为308-328 K;夹带剂包括乙醇、正己烷以及二者的等摩尔比混合溶液;夹带剂浓度范围为1.0-4.0mol%。研究结果丰富了硝基苯和氨基苯衍生物的相平衡数据库。
从实验压力、温度、夹带剂的种类和浓度四个方面对单一/混合固体溶质在含与不含夹带剂的超临界三元和二元体系中相平衡的影响进行了深入分析;提出了溶解度提携效应因子(E)的定义,比较分析了单一固体溶质在含与不含夹带剂的超临界三元和二元体系中的相平衡数据;比较分析了硝基苯衍生物中取代基种类、位置和数量对固体溶质在超临界二元体系中相平衡的影响;比较了同一固体溶质在超临界二元(单一固体溶质+超临界溶剂)和三元(混合固体溶质+超临界溶剂)体系中相平衡的差异,通过定义的溶解度增强效果(HE)分析溶解度变化趋势;提出了混合固体溶质的分离因子(SF)和分离效率(SE)的定义,分析了超临界流体技术分离固体混合溶质4-NPA+4-NA的可行性。
对三种常用于描述固体溶质在含夹带剂的超临界三元体系中相平衡的半经验模型进行了分析,关联了17种固体溶质在含四大类9种夹带剂的超临界三元体系中的相平衡数据,其平均相对偏差最小为10.50%,最大为36.60%;分析比较了三种模型的关联能力、适用条件,从而提出了影响模型关联效果的因素;详细分析了影响模型适用性的6种因素:固体溶质的种类,夹带剂的种类和浓度、实验温度,实验压力、实验点数、固体溶质溶解度的大小和数量级级差,为新模型的建立提供了理论依据。
在对三个常用文献模型分析的基础上,依据化学缔合理论,提出了以超临界三元和二元体系中溶解度函数为架构的M-Chrastil-G模型;依据化学溶解度理论,考虑超临界三元和二元体系中溶解度的关系,提出了M-MST-T&G模型;通过考察超临界流体密度对固体溶质溶解度的影响,引入密度函数项,提出了M-Sovova-T模型。通过对实验和文献中共计30种固体溶质在含15种不同种类夹带剂的1648组相平衡数据的关联,对本文提出的三个半经验模型进行验证,结果表明,M-Chrastil-G模型的平均AARD值为6.02%,M-MST-T&G模型的平均AARD值为9.84%,M-Sovova-T模型的平均AARD值为6.11%,均优于文献模型,表明三个新模型都能够较好的描述固体溶质在含夹带剂的超临界三元体系中的相平衡。