三辛基甲基醋酸銨離子液體作為夾帶劑分離甲苯和乙醇的共沸混合物

熊儒風， 潘成橋， 張 弢

(沈陽化工大學 遼寧省化工分離技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110142)

甲苯和乙醇是重要的有機溶劑, 其混合物廣泛應用在吡拉西坦片生產(chǎn)等醫(yī)藥及精細化工領域[1-2]。甲苯和乙醇在常壓下形成共沸[3]，普通精餾無法將其完全分離。萃取精餾作為一種特殊的精餾方法被廣泛應用于共沸物的分離，萃取劑的選擇是萃取精餾的關鍵[4-6]。離子液體是一種新興的環(huán)境友好型萃取劑，除其蒸氣壓可以忽略不計外還具有低毒性、低腐蝕性和分子結(jié)構(gòu)可設計性等優(yōu)點，特別是具有突出的分離能力[7-8]。

本文測定了常壓下甲苯+乙醇+三辛基甲基醋酸銨鹽([N8,8,8,1][OAC])離子液體的三元氣液相平衡數(shù)據(jù)，并使用非隨機雙液體(NRTL)模型進行擬合，得到相關模型參數(shù)，為萃取精餾分離甲苯-乙醇混合物提供基礎數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

甲苯、乙醇，w≥99%，中國國藥集團有限公司；[N8,8,8,1][OAc]，w≥99%，蘭州雨陸精細化工有限公司。實驗前將離子液體置于373 K和2 kPa的真空干燥箱中以去除易揮發(fā)組分和水。

1.2 實驗裝置及測定方法

采用天津大學北洋化工實驗設備公司CE-2型平衡釜進行氣液相平衡實驗[9]。將配好的一定濃度的混合溶液樣品加入氣液平衡釜內(nèi)加熱，控制氣相取樣口冷凝液回流速度在每秒3滴～4滴，當體系溫度維持30 min不變時，可以認為氣液兩相達到平衡狀態(tài)。記錄溫度，同時分別從氣相和液相取樣口取樣，測量各組分含量。乙醇和甲苯的含量通過一個連接頂空進樣器(G1888 Network headspace sampler, agilent technologies)的氣相色譜(agilent GC7890A)測量，而離子液體含量通過稱重法測量。

2 結(jié)果及討論

2.1 實驗裝置可靠性檢驗

實驗裝置可靠是實驗數(shù)據(jù)準確的前提，本文通過甲苯-乙醇二元氣液相平衡數(shù)據(jù)與文獻數(shù)據(jù)的對比對實驗裝置的可靠性進行評估。第6頁表1列出了甲苯-乙醇二元相平衡數(shù)據(jù)的測試結(jié)果，第6頁圖1顯示了實驗數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)[10-11]的比較。從圖1中可見，實驗數(shù)據(jù)與文獻值數(shù)據(jù)基本吻合。

圖1 在101.3 kPa下甲苯(1)+乙醇(2)二元物系的氣液相平衡數(shù)據(jù)

表1 isobaric vapor-liquid equilibrium(VLE)data for the binary system of toluene(1)+ethanol(2)at 101.3 kPa①

2.2 三元氣液相平衡數(shù)據(jù)

用NRTL模型對第6頁表2中的實驗數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，通過最小化平均相對偏差[第6頁方程(1)中的ARD]回歸得到模型的二元交互作用參數(shù)α和Δg，見第7頁表3。

表3 binary interaction parameters of NRTL model①

2.3 [N8,8,8,1][OAC]對氣液相平衡的影響

第7頁圖2為常壓下甲苯(1)+乙醇(2)+[N8,8,8,1][OAC](3)三元等壓氣液相平衡曲線。離子液體[N8,8,8,1][OAC]的加入對乙醇表現(xiàn)出很明顯的效應，相平衡曲線和共沸點(曲線與對角線的交點)均隨著[N8,8,8,1][OAC]的增加而向右移動，[N8,8,8,1][OAC]的摩爾分數(shù)達到0.15時，共沸點完全消失。由NRTL模型關聯(lián)可知，[N8,8,8,1][OAC]的最小打破共沸的摩爾分數(shù)是0.103 2。甲苯-乙醇的共沸被完全消除。由此可見，[N8,8,8,1][OAC]能夠作為萃取劑被用于分離甲苯-乙醇共沸體系。

圖2 101.3 kPa下甲苯(1)+乙醇(2)+[N8,8,8,1][OAC](3)三元等壓氣液相平衡曲線

相對揮發(fā)度也是反映分離劑分離能力的一個重要指標，相對揮發(fā)度越大表示混合物體系越容易被分離，即分離劑的分離能力越強。圖3顯示了常壓下[N8,8,8,1][OAC](3)對甲苯(1)+乙醇(2)共沸物系相對揮發(fā)度的影響?？梢钥吹?，由于甲苯是重組分，因此當共沸現(xiàn)象被消除時α12值小于1。且α12值越小，分離效果越好。當[N8,8,8,1][OAC]的摩爾分數(shù)為0.15和0.2時，甲苯-乙醇的共沸被完全消除。

圖3 effect of[N8,8,8,1][OAC](3)on the relative volatility of toluene(1)+ethanol(2)at 101.3 kPa

3 結(jié)論

測定了甲苯-乙醇-三辛基甲基醋酸銨鹽的[N8,8,8,1][OAC]三元體系在101.325 kPa下的氣液相平衡數(shù)據(jù)。[N8,8,8,1][OAC]的加入能夠提升甲苯對乙醇的相對揮發(fā)度，并能夠完全打破甲苯-乙醇混合共沸。通過NRTL模型關聯(lián)對實驗數(shù)據(jù)進行了關聯(lián)，得到了模型中的二元交互作用參數(shù),通過NRTL模型計算出[N8,8,8,1][OAC]最小打破共沸的摩爾分數(shù)為0.103 2。這些研究結(jié)果表明，[N8,8,8,1][OAC]可以用作萃取精餾分離甲苯-乙醇共沸體系的萃取劑被進一步研究。