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在化学工业中,对一些常温下完全互溶或部分互溶,精馏时形成恒沸物的极性体系,采用强极性盐溶液为萃取剂的分离方法,在节能及简化流程等方面表现出较大的优越性。在加盐萃取分离中,盐的选择尤为重要,其中涉及到盐效应理论及其作用机理,盐效应对这类混合有机溶剂-水体系的影响和作用机理较为复杂。定标粒子理论从热力学和统计力学出发进行理论推导,能够合理地解释体系中各组分的相互作用,并容易找到分子参数计算影响盐效应的相关物理量,解决了其他理论存在的计算过程复杂或理论推导不完善等问题。因此,定标粒子理论应用于加盐萃取中将有着重要的理论和实际意义。
本论文系统地研究了定标粒子理论在加盐萃取有机溶剂-水-盐体系中的应用。采用定标粒子理论计算了不同种类的盐在七个不同的有机溶剂-水体系中的标准摩尔溶剂化自由能,结合萃取分离实验进行验证。进一步分析了有机溶剂-水体系和盐类的各物性参数对溶剂化自由能的影响规律。采用定标粒子理论初步探讨了加盐萃取分离的作用机理。
通过理论分析和实验结果表明,在定标粒子理论中静电作用自由能的计算,因运用“一层连续介质模型”,未考虑相互作用粒子的数量关系,使其与加盐萃取效果相关性不大。通过引入摩尔溶解度参数fa,对定标粒子理论中静电作用自由能的计算公式进行了修正。
采用修正后的溶剂化自由能数学模型,计算了七个不同有机溶剂-水体系的标准摩尔溶剂化自由能,并结合加盐萃取分离实验进行验证,结果表明溶剂化自由能与盐的萃取效果有着一定的相关性。在醇-水-盐和酮-水-盐三元体系以及酯-醇-水-盐四元体系中,随着盐的标准摩尔溶剂化自由能绝对值的增大,有机相中弱极性溶剂的质量分数呈线性增大,而有机相中水的质量分数则呈线性降低。溶剂化自由能与盐的萃取效果均具有较高的相关性,在三元体系,其相关性达0.9以上,尤其是在醋酸甲酯-甲醇-水-盐体系线性相关系数达到0.97以上,这表明,溶剂化自由能数学模型可适用于醇-水-盐和酮-水-盐三元体系以及酯-醇-水-盐四元体系。在正丁醇-丙酮-乙醇-水-盐五元体系中溶剂化自由能数学模型与萃取实验结果的相关性较差,其不适用。
系统地分析了有机溶剂-水体系溶剂与盐类各物性参数对溶剂化自由能的影响规律。对于同一种盐萃取不同体系,随着溶剂分子数密度增大,造腔自由能增大,非静电作用自由能绝对值增大;溶剂介电常数越大,摩尔溶解度系数越小,溶剂分子表观直径越小,其静电作用自由能绝对值就越大。对于不同盐萃取同一体系,随着盐离子直径的增大,造腔自由能就增大,此规律只适用于一价盐:非静电作用自由能绝对值与盐类各物性参数的线性相关性均不大;对于一价盐,随着盐的摩尔溶解度增大,其静电作用自由能绝对值增大。
采用定标粒子理论分析了加盐萃取的作用机理。研究认为:加盐萃取过程主要是盐离子与极性大的溶剂分子发生较强的静电作用力,形成稳定难挥发的溶剂化化合物,破坏原来互溶体系的有机水合中间体,使极性小的溶剂分子远离溶剂化化合物,使两相区增加,有利于分离。