PL210176B1 - Sposób usuwania wody i lotnych substancji z cieczy jonowych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób usuwania wody i lotnych substancji z cieczy jonowych.

Początek wykorzystania promieniowania mikrofalowego sięga 1873 r., w którym Maxwell opublikował zbiór praw traktujących o elektryczności. Prawa te stanowiły podstawę teorii, że występuje w przyrodzie zjawisko propagacji fali elektromagnetycznej. W roku 1887 lord Rayleigh dowiódł matematycznie, że fala elektromagnetyczna może rozchodzić się w rurach (falowodach) o przekroju prostokątnym i kołowym. Początkowo technika mikrofalowa była utożsamiana wyłącznie z techniką radarową, obecnie mikrofale są wykorzystywane w wielu gałęziach nauki, techniki i przemysłu. Znane jest zastosowania techniki mikrofalowej do suszenia różnego rodzaju materiałów takich jak: żywność, rośliny, materiały włókiennicze, drewno, grunty i inne materiały biologiczne.

Promieniowanie mikrofalowe stanowi formę elektromagnetycznej energii, która wywołuje przemieszczanie się jonów i rotację dipoli, bez zmiany struktury własnej cząstek. Ogrzanie próbki przy pomocy źródła mikrofalowego zależy od tzw. współczynnika rozproszenia δ, którego wartość przedstawia wzór:

gdzie:

ε - dielektryczne straty próbki (współczynnik strat), ε - dielektryczna stał a próbki.

Dielektryczna stała ε wyraża zdolność próbki do zablokowania drogi promieniowaniu mikrofalowemu usiłującemu przez nią przeniknąć, a współczynnik strat ε jest miarą zdolności próbki do rozproszenia promieniowania mikrofalowego. Pojęcie strat określa tę część energii mikrofalowej, która z cał ej mocy energetycznej urzą dzenia mikrofalowego dotrze do próbki i rozproszy się w niej pod postacią ciepła. Do strat (tzn. przekazania energii mikrofal ogrzewanej substancji) w próbce dochodzi na skutek dwóch mechanizmów:

- przewodnictwa jonowego,

- rotacji dipoli.

Przewodnictwo jonowe ma miejsce, gdy w próbce obecne są związki jonowe, lub wolne jony i stanowi wynik elektroforetycznej migracji jonów umieszczonych w polu magnetycznym. Ruch jonów składa się na prąd, który jest przyczyną strat energii. Straty, w wyniku których powstaje ciepło pochodzą od wszystkich jonów w roztworze. Przewodnictwo jonowe zależy od takich czynników jak: koncentracja jonów, ich ruchliwości, temperatura, dlatego od wielkości tych zależą również straty, a zatem zdolność próbki do zaabsorbowania energii mikrofalowej.

Ciecz jonowa jest czystą solą składającą się z jonów. Kation ma najczęściej charakter organiczny, a anion może być zarówno pochodzenia organicznego jak i nieorganicznego. Jest to związek, który w temperaturze pokojowej jest cieczą przypominającą wodę. Ciecze jonowe są związkami stabilnymi termicznie, chemicznie i elektrochemicznie. Przeważnie są cięższe od wody i charakteryzują się małą prężnością par w temperaturze pokojowej. Posiadają wysokie temperatury wrzenia, które są jednocześnie temperaturami ich rozkładu. Zwykle są to temperatury powyżej 573K.

Ciecze jonowe uznano za rozpuszczalniki przyjazne dla środowiska. Najważniejszym obecnie zastosowaniem cieczy jonowych jest ich użycie, jako rozpuszczalników oraz katalizatorów i rozpuszczalników jednocześnie. Rozpuszczają w sobie alkohole, octan etylu, chloroform, DMF, DMSO, sole nieorganiczne, niektóre polimery jak i minerały. Wiele katalizatorów, szczególnie kompleksów metali przejściowych rozpuszcza się w cieczach jonowych.

Ciecze jonowe mogą być stosowane, jako rozpuszczalniki reakcji przebiegających w warunkach bezwodnych. W tym przypadku ciecz ta nie może zawierać wody. Ciecze jonowe otrzymuje się najczęściej w reakcji wymiany w wodzie. Nawet najbardziej hydrofobowe ciecze, po wydzieleniu z mieszaniny reakcyjnej, zawierają niewielką ilość wody. Niektóre wysoko reaktywne katalizatory mogą być dezaktywowane przez nawet najmniejszą ilość wody i lotnych związków. Znany jest sposób, gdzie wodę i lotne rozpuszczalniki organiczne usuwa się umieszczając próbki w suszarce próżniowej w temperaturze 333-353K na okres kilku godzin. Stosowana metoda osuszania jest czasochł onna i nie zawsze skuteczna. Dobre efekty uzyskuje się dla cieczy hydrofobowych, w których zawartość wody i lotnych substancji nie przekracza 5%.

PL 210 176 B1

Istotą wynalazku jest sposób usuwania wody i lotnych substancji z cieczy jonowych o ogólnym wzorze 1, w którym K oznacza kation imidazoliowy o wzorze 2, lub kation pirydyniowy o wzorze 3, lub kation amoniowy o wzorze 4, lub kation fosfoniowy o wzorze 5, a A jest anionem nieorganicznym, lub anionem organicznym, który polega na tym, że ciecz jonową poddaje się oddziaływaniu promieniowania mikrofalowego o częstotliwości rzędu 2,45 GHz, długości fali na poziomie γ = 12,5 cm i chłodzeniu w zakresie temperatur 293-5 73K, przy czym procesy podgrzewania i chł odzenia powtarzane są cyklicznie.

Według wynalazku w sposobie suszenia cieczy jonowych o ogólnym wzorze 1, w którym K oznacza kation imidazoliowy o wzorze 2, lub kation pirydyniowy o wzorze 3, lub kation amoniowy o wzorze 4, lub kation fosfoniowy o wzorze 5, a A jest anionem nieorganicznym, lub anionem organicznym próbkę cieczy jonowej umieszcza się w naczynku, które wprowadza się do komory procesowej instalacji do suszenia mikrofalowego i poddaje oddziaływaniu promieniowania mikrofalowego. Proces suszenia jest prowadzony z wykorzystaniem oddziaływania promieniowania mikrofalowego o czę stotliwoś ci rzę du 2,45 GHz i dł ugości fali na poziomie γ = 12,5 cm, przy zastosowaniu tł umika wodnego o tłumieniu 10 dB. Odparowanie wody, lub innego rozpuszczalnika z cieczy jonowej przebiega w temperaturze od 293 do 573K, a powstające pary odprowadzane są za pomocą pompy próżniowej. Suszenie prowadzi się powtarzając na zmianę okres podgrzewania i okres chłodzenia aż do całkowitego wysuszenia próbki. Okres chłodzenia jest niezbędny, aby utrzymać stałą temperaturę suszenia.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące korzyści technicznoekonomiczne

- uzyskano wielokrotnie krótszy czas suszenia w instalacji do suszenia mikrofalowego w porównaniu z suszeniem konwekcyjnym,

- ciecze jonowe łatwo absorbują promieniowanie mikrofalowe, co przejawia się szybkim wzrostem temperatury,

- efekt absorpcji promieniowania mikrofalowego przez próbkę zawierającą jony i dipole jest czysto kinetyczny, energia mikrofalowa nie powoduje zmian w strukturze molekuł,

- jony i czą stki polarne znajdują ce się w polu mikrofalowym poruszają się próbują c ustawić się wzdłuż linii szybko zmieniającego się pola elektrycznego. Rosnąca energia kinetyczna częściowo rozprasza się w postaci ciepła,

- liniowy, lub zbliż ony do liniowego, przebieg ubytku masy substancji lotnych wskazuje na stałą prędkość suszenia,

- ciecze jonowe wysuszone za pomocą mikrofal nie zawierają wody i substancji lotnych,

- podczas suszenia barwa cieczy jonowej nie ulega zmianie.

Wynalazek ilustrują poniższe przykłady, a wykresy przedstawiają: fig. 1 zależność ubytku masy od czasu dla bromku triheksylotetradecylofosfoniowego, fig. 2 zależność ubytku masy od czasu dla azotanu(V) didecylodimetyloamoniowego, fig. 3 zależność ubytku masy od czasu dla tetrafluoroboranu 1-butylo-3-metyloimidazoliowego, fig. 4 przedstawia zależność ubytku masy od czasu dla bis(trifluorometylosulfonylo)imidku 4-etylo-1-pentyloksymetylopirydyniowego.

P r z y k ł a d I

Próbkę cieczy jonowej (bromek triheksylotetradecylofosfoniowy) o masie 5,5439 g, zawierającą wodę pochłoniętą w procesie nawadniania przeprowadzonym w eksykatorze wypełnionym wodą, umieszczono w naczynku ze szkła kwarcowego i wprowadzono do komory procesowej instalacji do suszenia mikrofalowego. Komorę procesową zamknięto, a króciec komory połączono z przewodem pompy próżniowej. Przed rozpoczęciem suszenia odkręcono zawór wody, który w sposób ciągły doprowadzał zimną wodę do tłumika falowodowego. Następnie włączono zasilacz generatora mikrofalowego i za pomocą regulatora ustawiono moc 100 W. Od momentu włączenia zasilacza następowała emisja promieniowania mikrofalowego, które pochłaniała próbka umieszczona w komorze procesowej nagrzewając się. Po czasie 1 minuty nagrzewania próbki wyłączono zasilacz. Generator przestaje emitować promieniowanie mikrofalowe a próbka przez okres 6 minut nie jest ogrzewana. Okres chłodzenia pozwalał utrzymać temperaturę suszenia w pożądanym, stałym zakresie. Podczas suszenia bromku triheksylotetradecylofosfoniowego temperaturę utrzymywano w przedziale 383-403K. Cykl: nagrzewanie 1 min + chłodzenie 6 min powtórzono 10 razy do ustalenia się masy suszonej próbki. Całkowity czas suszenia wyniósł 64 min. Usunięto 0,5903 g wody, co stanowi 10,65% początkowej masy próbki. Zawartość wody w osuszonym bromku triheksylotetradecylofosfoniowym, oznaczona metodą Karla-Fischera, wyniosła poniżej 100 ppm.

PL 210 176 B1

Przebieg ubytku masy podczas suszenia za pomocą mikrofal przedstawia wykres na fig. 1.

Dla porównania masa wody odsuszonej w suszarce próżniowej w czasie 64 min, w temperaturze 80°C, pod ciśnieniem 0,4 bar wyniosła 0,0243 g. Stanowi to jedynie 4% wody usuniętej w suszarni mikrofalowej w tym samym czasie. Zależność ubytku masy od czasu dla bromku triheksylotetradecylofosfoniowego przedstawia fig. 1.

P r z y k ł a d II

Próbkę cieczy jonowej [azotan(V) dimetylodidecyloamoniowy] o masie 5,2756 g, zawierającą wodę pochłoniętą w procesie nawadniania przeprowadzonym w eksykatorze wypełnionym wodą, umieszczono w naczynku ze szkła kwarcowego i wprowadzono do komory procesowej instalacji do suszenia mikrofalowego. Komorę procesową zamknięto, a króciec komory połączono z przewodem pompy próżniowej. Przed rozpoczęciem suszenia odkręcono zawór wody, który w sposób ciągły doprowadzał zimną wodę do tłumika falowodowego. Następnie włączono zasilacz generatora mikrofalowego i za pomocą regulatora ustawiono moc 100 W. Po czasie 1 minuty nagrzewania próbki wyłączono zasilacz. Generator przestaje emitować promieniowanie mikrofalowe a próbka przez okres 6 minut nie jest ogrzewana. Podczas suszenia azotanu(V) dimetylodidecylimoniowego temperaturę utrzymywano w przedziale 383-403K. Cykl: nagrzewanie 1 min + chłodzenie 6 min powtórzono 5 razy do ustalenia się masy suszonej próbki. Całkowity czas suszenia wyniósł 34 min, a całkowita masa usuniętej wody 0,5592 g, co stanowi 10,59% początkowej masy próbki. Zawartość wody w osuszonym azotanie(V) dimetylodidecyloamoniowym, oznaczona metodą Karla-Fischera, wyniosła poniżej 100 ppm.

Przebieg ubytku masy podczas suszenia z udziałem mikrofal przedstawia fig. 2. Dla porównania masa wody usunięta w suszarce próżniowej w czasie 34 min, w temperaturze 80°C, pod ciśnieniem 0,4 bar wyniosła 0,0206 g. Stanowi to jedynie 3,7% wody usuniętej w suszami mikrofalowej w tym samym czasie. Zależność ubytku masy od czasu dla azotanu(V) dimetylodidecyloamoniowego przedstawia fig. 2.

P r z y k ł a d III

Próbkę cieczy jonowej (tetrafluoroboran 1-butylo-3-metyloimidazoliowy) o masie 5,5994 g, zawierającą wodę pochłoniętą w procesie nawadniania przeprowadzonym w eksykatorze wypełnionym wodą, umieszczono w naczynku ze szkła kwarcowego i wprowadzono do komory procesowej instalacji do suszenia mikrofalowego. Komorę procesową zamknięto, a króciec komory połączono z przewodem pompy próżniowej. Przed rozpoczęciem suszenia odkręcono zawór wody, który w sposób ciągły doprowadzał zimną wodę do tłumika falowodowego. Następnie włączono zasilacz generatora mikrofalowego i za pomocą regulatora ustawiono moc 100 W. Po czasie 1 minuty nagrzewania próbki wyłączono zasilacz. Generator przestaje emitować promieniowanie mikrofalowe a próbka przez okres 6 minut nie jest ogrzewana. Podczas suszenia tetrafluoroboranu 1-butylo-3-metyloimidazoliowego temperaturę utrzymywano w przedziale 383-403K. Cykl: nagrzewanie 1 min + chłodzenie 6 min powtórzono 12 razy do ustalenia się masy suszonej próbki. Całkowity czas suszenia wyniósł 85 min. Usunięto 0,6105 g wody, co stanowi 10,90% początkowej masy próbki. Zawartość wody w osuszonym tetrafluoroboranie 1-butylo-3-metyloimidazoliowym, oznaczona metodą Karla-Fischera, wyniosła poniżej 100 ppm.

Przebieg ubytku masy podczas suszenia w suszami mikrofalowej przedstawia fig. 3.

P r z y k ł a d IV

Próbkę cieczy jonowej [bis(trifluorometylosulfonylo)imidek 4-etylo-1-pentyloksymetylopirydyniowy] o masie 5,6799 g, nasycon ą wodą w eksykatorze wypeł nionym wod ą , umieszczono w naczynku ze szkła kwarcowego i wprowadzono do komory procesowej instalacji do suszenia mikrofalowego. Komorę procesową zamknięto, a króciec komory połączono z przewodem pompy próżniowej. Przed rozpoczęciem suszenia odkręcono zawór wody, który w sposób ciągły doprowadzał zimną wodę do tłumika falowodowego. Następnie włączono zasilacz generatora mikrofalowego i za pomocą regulatora ustawiono moc 100 W. Po czasie 1 minuty nagrzewania próbki wyłączono zasilacz - generator przestaje emitować promieniowanie mikrofalowe a próbka przez okres 6 minut nie jest ogrzewana. Podczas suszenia bis(trifluorometylosulfonylo)imidku 4-etylo-1-pentyloksymetylopirydyniowego temperaturę utrzymywano w przedziale 383-403K. Cykl: nagrzewanie 1 min + chłodzenie 6 min powtórzono 10 razy do ustalenia się masy suszonej próbki. Całkowity czas suszenia wyniósł 71 min. Usunięto 0,6118 g wody, co stanowi 10,77% początkowej masy próbki. Zawartość wody w osuszonym bis(trifluorometylosulfonylo)imidku 4-etylo-1-pentyloksymetylopirydyniowym, oznaczona metodą Karla-Fischera, wyniosła poniżej 100 ppm.

Przebieg ubytku masy podczas suszenia mikrofalowego przedstawia fig. 4.

Claims (1)

1. Sposób usuwania wody i lotnych substancji z cieczy jonowych o ogólnym wzorze 1, w którym K oznacza kation imidazoliowy o wzorze 2, lub kation pirydyniowy o wzorze 3, lub kation amoniowy o wzorze 4, lub kation fosfoniowy o wzorze 5, a A jest anionem nieorganicznym, lub anionem organicznym, znamienny tym, że ciecz jonową poddaje się oddziaływaniu promieniowania mikrofalowego o częstotliwości rzędu 2,45 GHz, długości fali na poziomie γ = 12,5 cm i chłodzeniu w zakresie temperatur 293-573K, przy czym procesy podgrzewania i chłodzenia powtarzane są cyklicznie.