Введение к работе
Актуальность работы. Ведущей тенденцией в развитии современных экстракционных технологий является стремление на базе экспериментов на мини-установках с использованием методов математического моделирования проектировать промышленные установки, минуя этапы пилотных испытаний. Для разработки новых экстракционных процессов необходимы мини-аппараты, требующие минимальных количеств реагентов и растворителей. Речь идет об экстракционных мини-установках емкостью до 50 мл, обеспечивающих эффективность массообмена, соответствующую 5-10 теоретическим ступеням. Такие аппараты особенно нужны в радиохимической промышленности (переработка отработанного ядерного топлива, разделение редкоземельных металлов и актинидов, дезактивация и хранение отходов и др.), где при создании новых и усовершенствовании действующих технологических процессов для отработки технологии на «горячих» рабочих системах требуются мини-аппараты. Разработки мини-экстракторов проводятся во многих развитых странах. Поэтому разработка и исследование экстракционных мини-установок является актуальной задачей.
Разделение и очистка веществ методами жидкостной экстракции и хроматографии базируются на различной растворимости отдельных компонентов в двух жидких фазах. Процессы жидкостной экстракции обычно проводятся в противоточном режиме в колонных аппаратах или в каскаде смесительно-отстойных экстракторов. В последнее десятилетие в Японии, США, Китае и ряде европейских стран интенсивно развивается новое направление жидкостной хроматографии -жидкостная хроматография со свободной неподвижной фазой. В новых процессах жидкостной хроматографии разделение компонентов происходит путем их многократного перераспределения между двумя жидкими фазами в спиральной трубке, намотанной на барабан планетарной центрифуги или в цепочке камер, расположенных на поверхности цилиндра или дисков, закрепленных на валу центрифуги. Разработка и испытание более простых, не содержащих центрифугу, устройств для таких процессов представляют как научный, так и большой практический интерес. Эффективность процессов экстракции, как правило, составляет десятки теоретических, а эффективность процессов хроматографии -сотни теоретических ступеней. В то же время производительность процессов экстракции более чем на два порядка превышает производительность процессов хроматографии. Поэтому перспективным представляется создание новых эффективных методов разделения, объединяющих преимущества жидкость-жидкостной хроматографии и экстракции.
Цель работы: разработка и исследование экстракционно-хроматографических процессов и аппаратов с пульсационным и пульсационно-циклическим контактом фаз.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработать и испытать колонные мини-экстракторы (экстракционные колонки) с пульсационным перемешиванием фаз; определить их эффективность в процессах экстракции органических и неорганических соединений.
Разработать многоколоночное устройство с пульсационно-циклическим контактом фаз для процессов экстракции в режиме жидкостной хроматографии (процессов разделения методами жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой).
Исследовать процессы разделения методами жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой при пульсационно-циклическом режиме контактирования фаз в ступенях колонок.
Провести сравнительный анализ линейных моделей хроматографии для непрерывного и циклического режимов проведения процессов разделения. Методы исследования. При выполнении диссертационной работы
использованы фундаментальные положения классической теории хроматографии и теории циклической хроматографии; экспериментальные методы жидкостной экстракции и хроматографии; физико-химические и инструментальные методы анализа (атомно-адсорбционная спектроскопия, кондуктометрия), методы математического моделирования.
Научная новизна. В работе получен ряд важных, принципиально новых научных результатов:
В результате исследования процессов экстракции органических и неорганических соединений в вибрационных мини-колоннах с низкочастотным и высокочастотным приводом установлено, что при емкости 20-50 мл мини-колонны в зависимости от физико-химических свойств жидкостных систем и механизма процесса экстракции могут обеспечить эффективность массообмена, соответствующую 3-10 теоретическим ступеням.
Впервые получены данные, характеризующие кинетику и механизм циклического процесса жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой.
Установлено приемлемое согласование теоретической модели циклического процесса хроматографии с результатами экспериментов.
Установлено, что циклический режим обеспечивает более высокую эффективность хроматографического разделения компонентов по сравнению с непрерывным режимом: различие между обоими процессами увеличивается с ростом скорости массопередачи и уменьшением доли объема неподвижной фазы в аппарате и коэффициентов распределения компонентов смеси. Практическая значимость работы.
Сдано в печать 2012 г.
Заказ №
Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. ООО «Генезис» 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86. (495) 936-88-35 (495) 434-83-55
технологии: сборник материалов, Ереван, 13-17 сентября 2010. - ИОНХ НАН РА, 2010.-с. 347-349.
Вошкин А.А., Заходяева Ю.А., Кодин Н.В., Костанян А.Е., Белова В.В., Холькин А.И. Новые подходы к разработке процессов разделения методами жидкостной экстракции// "Экстракция органических соединений": каталог докладов IV Международной конференции, Воронеж, 20-24 сентября 2010. - ВГТА, 2010. -с. 36.
Костанян А.Е., Вошкин А.А., Кодин Н.В., Заходяева Ю.А., Кондаков Д.Ф., Войтов Ю.И., Белова В.В., Холькин А.И. Жидкостная хроматография со свободной неподвижной фазой и с импульсной подачей элюента // Ежегодная научная конференция - конкурс ИОНХ РАН: сборник трудов, Москва, 7-9 декабря 2010. - Изд-во ОАО "Ивановская областная типография", 2010. - с. 123-125.
Разработаны и испытаны вибрационные мини-колонны с низкочастотным и высокочастотным приводом; показана перспективность использования этих аппаратов для исследования процессов экстракции органических и неорганических соединений. Аппарат с высокочастотным виброприводом передан в Радиевый институт им. В.Г. Хлопина для проведения испытаний на технологических (рабочих) растворах.
Разработан и испытан многоколоночный аппарат с пульсационно-циклическим перемешиванием фаз для процессов разделения методами жидкостной хроматографии со свободной неподвижной фазой; показана перспективность разрабатываемого нового направления в области процессов разделения жидких смесей. Предложены варианты дальнейшего совершенствования пульсационно-циклических процессов экстракционно-хроматографического разделения жидких смесей.
Работа выполнялась в рамках гранта РФФИ (проект № 10-03-00188а "Развитие научных основ новых экстракционных и комбинированных химико-технологических процессов и разработка эффективных методов разделения веществ и получения функциональных материалов") и программы фундаментальных исследований Президиума РАН №8 (проект "Пульсационно-циклическая жидкость-жидкостная хроматография").
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на следующих Российских и международных конференциях: Международном симпозиуме по сорбции и экстракции (Владивосток, 29 сентября -4 октября 2008); I Научно-практической конференции "Новые подходы в химической технологии и практика применения процессов экстракции и сорбции" (г. Санкт-Петербург, 12-15 мая 2009 г.); 6th International Symposium on CCC 2010 (July 28-30, 2010, Villeurbanne, France); II Международной конференции по химии и химической технологии (г. Ереван, 13-17 сентября 2010 г.); IV Международной конференции "Экстракция органических соединений" (г. Воронеж, 20-24 сентября 2010 г.); на ежегодной научной конференции-конкурсе ИОНХ РАН (г. Москва, 7-9 декабря 2010 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, 1 статья в сборнике трудов конференции "Современные проблемы общей и неорганической химии", тезисы 6 докладов на Российских и международных научных конференциях.