CN104267059A - 一种装置以及利用该装置在测定亚临界水中无机盐溶解度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装置以及利用该装置在测定亚临界水中无机盐溶解度的方法，所述包括毛细管反应器、温度控制装置、显微镜和在线数码摄像装置；所述的毛细管反应器按照如下方法制得：先用氢氧焰快速去除石英毛细管表面的有机涂层，将毛细管一端焊封，装入样品后抽真空，然后焊封毛细管另一端，从而得到毛细管反应器；所述的在线数码摄影装置包括一个数码摄像机和一台计算机；所述的毛细管反应器置于显微镜的载物台上，所述的温度控制装置控制毛细管反应器的温度，所述的数码摄影机分别与显微镜的目镜和计算机连接。本发明解决了现有的测定亚临界水中物质溶解度的实验装置存在的准确度不足、实验困难等问题，可精确直观地测量亚临界水中物质溶解度。

Description

一种装置以及利用该装置在测定亚临界水中无机盐溶解度的方法

（一）技术领域

本发明涉及一种装置，尤其是一种用于测定亚临界水中物质溶解度的装置，以及利用该装置测定亚临界水中无机盐溶解度的方法。

（二）背景技术

高温高压下的水由于其独特的理化性质，被广泛应用于化学合成、萃取分离、环境工程等诸多领域，具有很大的潜在优势。常态水对无机组分的溶解能力很强，当温度升高后，高温高压水中盐的溶解度却很小。实际应用过程中，无机盐的沉淀会导致管路堵塞和系统不稳定，同时由于操作条件有限，无机盐的溶解度数据很缺乏，这些因素均阻碍了工业生产发展。因此无机盐的溶解度基础数据研究甚为重要。

高温高压状态下水的性质复杂，数值计算难度大，目前研究手段主要通过实验。由于目前测试方法尚未形成标准，传统的溶解度测定装置则多采用对高压釜反应器进行升温加压的方式来制造高温高压环境。但因实验条件苛刻、现有设备装置存在极大安全隐患，测试精确度不高，导致基础数据缺乏，且不一致。

（三）发明内容

本发明的第一个目的是提供一种装置，该装置简化了操作工序，结构简单，可操作性强，方便加工，可连续测定；测量范围广，安全系数高，可精确直观地测量亚临界水中的物质溶解度，以解决现有的测定亚临界水中物质溶解度的实验装置存在的准确度不足、实验困难等问题。

本发明的第二个目的是将所述装置用于测定亚临界水中无机盐溶解度，提供一种可精确直观测得亚临界水中无机盐溶解度的方法。

下面对本发明的技术方案做具体说明。

一种装置，包括毛细管反应器、温度控制装置、显微镜和在线数码摄像装置；所述的毛细管反应器按照如下方法制得：先用氢氧焰快速去除石英毛细管表面的有机涂层，将毛细管一端焊封，装入样品后抽真空，然后焊封毛细管另一端，从而得到毛细管反应器；所述的在线数码摄影装置包括一个数码摄像机和一台计算机；所述的毛细管反应器置于显微镜的载物台上，所述的温度控制装置控制毛细管反应器的温度，所述的数码摄影机分别与显微镜的目镜和计算机连接。

进一步，所述的温度控制装置包括一个冷热台和一个温度控制器，所述的冷热台和温度控制器连接，所述的冷热台置于显微镜的载物台上，所述的毛细管反应器置于冷热台内。

更进一步，所述的温度控制装置还包括一个循环冷却装置，所述的循环冷却装置与冷热台连接，结构图见说明书附图1。所述的循环冷却装置可以保护在高温状态中工作的冷热台，减少对显微镜主体的热影响。

本发明提供了一种利用所述的装置测定亚临界水中无机盐溶解度的方法，包括如下步骤：

（1）预处理：

截取适当长度石英毛细管，用氢氧焰烧去表面有机涂层，使用火焰将其一端焊缝，从毛细管开口端装入一定浓度的无机盐水溶液，离心将液柱甩至密封段后，抽真空，焊封另一端；

（2）无机盐溶解度的测定：

将毛细管反应器置于载物台上，通过温度控制装置对毛细管反应器进行加热，待冷热台升温至预计的目标温度附近，停留足够长时间待反应达到平衡，然后小幅升温，小幅升温过程中配合长时间停留使反应再次达到平衡，利用显微镜进行可视观察，如果未观察到无机盐晶体析出，则继续小幅升温，同样做长时间停留使反应达到平衡，以此控制温度逐渐接近无机盐析晶点，观察到晶体刚好析出时，记录析晶点温度；

（3）推广：

配制一系列不同浓度的无机盐水溶液，重复步骤（1）和步骤（2）的操作，找到该浓度无机盐水溶液的析晶点温度，从而得到该无机盐在亚临界水中对应的温度、压力和溶解度的基础数据。

进一步，所述步骤（2）中，一般可先通过数据手册和前期探索实验温度条件，预计某个浓度无机盐水溶液的饱和析晶点温度，所述的“预计的目标温度附近”一般是在低于预计的饱和析晶点温度30℃左右。

进一步，所述步骤（2）中，所述的小幅升温的升温速率在1℃/min以下。

本发明中，检测反应是否达到平衡可通过测毛细管反应器中无机盐水溶液的拉曼光谱，若峰面积不再变化，则表示反应已经达到平衡。

本发明步骤（2）中，对于小幅升温的幅度，本领域技术人员可按照实际需要进行调节，若小幅升温至一定温度未观察到晶体析出，则在长时间停留待反应达到平衡后再继续小幅升温；若小幅升温至观察到晶体析出，则降温，通过反复离心使晶体重新溶解，再小幅升温寻找晶体的析晶点。一般为找到准确的析晶点，升温-降温-升温的过程需重复多次，以减小误差。

本发明中，在水的临界温度以下，毛细管反应器内体系的压力近似等于该温度下水的饱和蒸汽压。无机盐溶解度则根据无机盐水溶液的初始浓度进行计算。

本发明所述的测定方法，适用于无机盐，特别的，对于硫酸铜等具有双折射的光性非均质体盐类，在观测过程中开启显微镜的偏光功能，结晶盐经正交暗场滤杂可被清晰分辨，提高测定精确度。

本发明的有益效果表现在：

（1）、本发明所述装置与传统装置相比，有效简化了传统高温高压测定溶解度的操作工序，结构简单，可操作性强，方便加工，可连续测定；

（2）、毛细管反应器可承受的温度和压力范围较广，充分满足测量范围；

（3）、安全系数高，由于高温高压毛细管反应器主体体积很小，即使发生爆炸，也不会对实验人员和仪器造成伤害；

（4）、本所述测定方法采用显微镜和数码摄像装置直接对无机盐在水中的结晶和溶解行为进行可视观察，实验条件可反复调试，进行逆向验证，并可实现在线记录，大大提高了测定的精确度。

（四）附图说明

图1为本发明所述的高温水中无机盐溶解度测定设备的整体结构示意图，其中1为毛细管反应器，2为冷热台，3为循环冷却水，4为温控仪，5为显微镜，6为在线数码摄像装置，7为计算机；

图2为硫酸铜晶体在亚临界水中析出的照片。

（五）具体实施方式

下面结合硫酸铜及氯苯实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施装置图

参照图1：一种测定高温水中无机盐溶解度的设备，由毛细管反应器、温度控制装置、显微镜装置和在线数码摄像装置组成。所述的毛细管反应器1装样后置于冷热台2内，冷热台2连接温控器4，通过温控器4调节毛细管内无机盐体系温度，利用显微镜装置5与在线数码摄像装置6、7对实验现象进行观察并记录。

建议在加热过程中开启循环冷却装置3，保护在高温状态中工作的冷热台2，减少对显微镜主体5的热影响；同时，对于如硫酸铜等具有双折射的光性非均质体盐类，建议在观测过程中开启显微镜的偏光功能，结晶盐经正交暗场滤杂可被清晰分辨，提高测定精确度。

所述的测定方法按如下方式操作：

1、预处理和准备工作：

①先用电子天平迅速称量无水硫酸铜粉末，然后用超纯水配制不同浓度的盐水溶液；

②裁剪约1.5～5cm的石英毛细管，用洗耳球吹洗石英管内残留的碎片；

③用氢氧焰快速去除石英毛细管表面的棕黄色聚酰亚胺涂层，并将其一端焊封，使用显微镜检查焊封效果，待用；

④将石英玻璃棒用氢氧焰烧熔，并拉丝成直径约250μm的玻璃丝，待用；

⑤制作进样针。实验自制微型进样针。进样针由液相进样针改制（量程10μl），用高温将带涂层的石英毛细管（TSP040150）与液相进样针针头通过塑料管熔化连接。

2、样品制作：

a、硫酸铜样品制作

①用微型进样针抽取已知浓度的硫酸铜溶液，迅速打入一端密封的石英毛细管后，高速离心（6000r/min），确保液柱保留在密封端；

②为防止焊封口时温度过高引起样品中水蒸发，因此将毛细管中装有液体样品部分浸入液氮坩埚中冷冻，用氢氧焰迅速焊封石英毛细管的另一端；

③使用显微镜检查封端效果，并清洗管壁。

制作过程中，使无机盐水溶液在毛细管反应器中的体积占比尽可能大，尽量充满毛细管反应器。

3、溶解度的测定：将冷热台固定在显微镜载物台上，石英毛细管反应器置于冷热台的样品槽内。开启显微镜光源和在线观测系统，调整冷热台和样品位置，达到最佳观测效果。

①通过数据手册和前期探索实验温度条件，预计某个浓度硫酸铜溶液的饱和析晶点温度；

②开启显微镜的偏光系统，打开温控仪，以5℃/min升温至低于目标温度（预计的析晶点）约30℃后，稳定1小时，再以0.1℃/min甚至更慢的速度升温——稳定1小时，如果在偏光下未观察到硫酸铜晶体析出，则继续以0.1℃/min的速度升温，同样做长时间停留（1小时），控制温度逐渐接近硫酸铜析晶点；若升温至观察到晶体析出，则降温，离心使晶体重新溶解，再小幅升温，升温-降温-升温的过程重复多次，减少升温速率太快和停留时间太短造成的误差影响，找到准确的析晶点。

毛细管反应器中析出晶体的情况可参照图2。

③根据步骤②获得的析晶温度按照水的状态方程得到体系压力，根据硫酸铜溶液浓度计算其溶解度，从而得到亚临界水中压力、温度与硫酸铜溶解度的关系。

4、溶解度测定结果

亚临界水中硫酸铜溶解度测定结果如表1所示：

表1硫酸铜在亚临界水中的溶解度

Claims (7)

1.一种装置，包括毛细管反应器、温度控制装置、显微镜和在线数码摄像装置；所述的毛细管反应器按照如下方法制得：先用氢氧焰快速去除石英毛细管表面的有机涂层，将毛细管一端焊封，装入样品后抽真空，然后焊封毛细管另一端，从而得到毛细管反应器；所述的在线数码摄影装置包括一个数码摄像机和一台计算机；所述的毛细管反应器置于显微镜的载物台上，所述的温度控制装置控制毛细管反应器的温度，所述的数码摄影机分别与显微镜的目镜和计算机连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的温度控制装置包括一个冷热台和一个温度控制器，所述的冷热台和温度控制器连接，所述的冷热台置于显微镜的载物台上，所述的毛细管反应器置于冷热台内。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述的温度控制装置还包括一个循环冷却装置，所述的循环冷却装置与冷热台连接。

4.一种利用权利要求1～3之一所述的装置测定亚临界水中无机盐溶解度的方法，包括如下步骤：

（1）预处理：

截取适当长度石英毛细管，用氢氧焰烧去表面有机涂层，使用火焰将其一端焊缝，从毛细管开口端装入一定浓度的无机盐水溶液，离心将液柱甩至密封段后，抽真空，焊封另一端；

（2）无机盐溶解度的测定：

将毛细管反应器置于载物台上，通过温度控制装置对毛细管反应器进行加热，待冷热台升温至预计的目标温度附近，停留足够长时间待反应达到平衡，然后小幅升温，小幅升温过程中配合长时间停留使反应再次达到平衡，利用显微镜进行可视观察，如果未观察到无机盐晶体析出，则继续小幅升温，同样做长时间停留使反应达到平衡，以此控制温度逐渐接近无机盐析晶点，观察到晶体刚好析出时，记录析晶点温度；

（3）推广：

配制一系列不同浓度的无机盐水溶液，重复步骤（1）和步骤（2）的操作，找到该浓度无机盐水溶液的析晶点，即可得到该无机盐在亚临界水中的溶解度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤（2）中，所述的小幅升温的升温速率在1℃/min以下。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于：对于具有双折射的光性非均质体盐类，在观测过程中开启显微镜的偏光功能。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述无机盐为硫酸铜。