Определение критической температуры диоксида углерода методом электронного парамагнитного резонанса

Актуальность

Уникальное сочетание свойств делает вещества в сверхкритическом состоянии очень перспективными растворителями для различных технологических процессов, а также интересными объектами изучения. Наиболее часто используется сверхкритический СО₂, поскольку он является хорошим растворителем, а его критические температура и давление невысоки и легко достигаются в лаборатории или промышленном реакторе.

Цель

Использовать метод электронного парамагнитного резонанса для измерения критической температуры СО₂, известной по данным других методов, и оценить применимость метода ЭПР для определения критических параметров.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• ЭПР спектрометр
• Компьютер
• Установка высокого давления с нагревательным элементом
• Химическая посуда

Описание

Автор получил раствор парамагнитного вещества TEMPOL в сверхкритическом CO₂, зарегистрировал его спектры ЭПР при разных температурах и построил зависимость ширины линии спектра от температуры.

Эта зависимость позволила определить критическую температуру вещества. С увеличением температуры ширина спектров растёт, а интенсивность снижается, поскольку площадь, ограничиваемая спектром, должна оставаться постоянной вне зависимости от температуры. Автор измерил ширину линий и построил их зависимость от температуры. Из теории спектроскопии ЭПР известно, что чем чаще молекулы парамагнитного вещества сталкиваются, тем больше ширина линий в спектре. С ростом температуры тепловое движение молекул ускоряется, поэтому они чаще сталкиваются, и линии в спектрах ЭПР становятся шире. До некоторой температуры ширина линий возрастает медленно, а затем наблюдается резкий рост. Если для наглядности соединить точки до и после этой температуры прямыми линиями, они пересекутся при температуре, которая соответствует качественному изменению свойств среды. Известно, что тепловое движение (диффузия) в жидкости приблизительно на порядок медленнее, чем в сверхкритическом состоянии, поскольку оно обладает подвижностью молекул, аналогичной газу. Поэтому такой «излом» на зависимости ширины линии от температуры можно интерпретировать как переход среды в сверхкритическое состояние. Температура этого перехода, т. е. критическая температура CO₂, по данным измерений, составляет 32 °С. Это значение очень близко к общепринятому в литературе значению 31 °С, которое определялось другими методами. Отличие находится в пределах погрешности измерения температуры на экспериментальной установке, которое составляет ±1°С.

Результаты работы/выводы

Таким образом, автор зарегистрировал серию спектров парамагнитного вещества TEMPOL, растворённого в среде сверхкритического СО₂. Ширина линий этих спектров отражает молекулярную подвижность TEMPOL: в докритическом (т. е. жидком) СО₂ эта подвижность меньше, а в сверхкритическом – существенно больше. Из зависимости ширины линий от температуры при постоянной плотности среды определена критическая температура СО₂, которая составила 32±1°С.

Перспективы использования результатов работы

Сверхкритический СО₂ используют для извлечения кофеина из кофейных зёрен, очистки смазочных масел от тяжёлых фракций (асфальтенов), а также, в перспективе, для окрашивания текстильных волокон или полимерных материалов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Межкафедральная лаборатория Химического факультета

МГУ имени М. В. Ломоносова «Центр сверхкритических флюидов»

Награды/достижения

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» – призёр.