Высокоэффективный сверхкритический флюидный экстракционный процесс: растворимость и псевдорастворимость
Российский научный фонд, Исследование высокоэффективных и энергосберегающих сверхкритических флюидных экстракционных процессов, основанных на переходе к термодинамическому способу перемешивания рабочих сред, применительно к задаче переработки промышленных водных стоков, № 22-19-00117-П
Гумеров Ф.М.1, Зарипов З.И.1, Накипов Р.Р.1, Мазанов С.В.1, Сагдеев А.А.2
1Казанский национальный исследовательский технологический университет, Казань, Россия
2Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) Казанского национального исследовательского технологического университета, Нижнекамск, Россия
Email: serg989@yandex.ru
Поступила в редакцию: 24 января 2025 г.
В окончательной редакции: 21 марта 2025 г.
Принята к печати: 17 апреля 2025 г.
Выставление онлайн: 11 сентября 2025 г.
Приведены результаты экспериментального исследования растворимости ацетона в диоксиде углерода, осуществленного по изолинии с критической концентрацией компонентов бинарной смеси за пределами бинодали с использованием динамического метода измерения. Выявлены диапазоны давлений, в которых растворимость проявляет в одном случае регулярное, а в другом сингулярное поведение. Впервые в асимптотической близости к критической точке по мере приближения к ней установлен факт аномального роста растворимости. Обсуждены предпосылки и условия набухания предполагаемой к извлечению компоненты, явившиеся основой для новых представлений о механизме сверхкритического флюидного экстракционного извлечения применительно к системам I-II типов фазового поведения. Впервые дано разъяснение понятию псевдорастворимости. Согласно этого представления, обозначенная характеристика одновременно сочетает в себе, с одной стороны, показатели извлечения целевой компоненты в фазу экстрагента в рамках традиционных представлений о растворимости, а с другой - возможности переноса в сепаратор макроскопических объемов извлекаемой компоненты, вызванного ее набуханием в экстракторе в результате растворения в ней сверхкритического флюидного растворителя. Представлены экспериментальные данные по псевдорастворимости ацетона в диоксиде углерода на сверхкритических изобарах. При давлениях, близлежащих к его критическому значению, псевдорастворимость по величине многократно превосходит значения равновесной растворимости. Ключевые слова: экстракция, сверхкритическое флюидное состояние, тип фазового поведения, режим полной смешиваемости, растворимость, псевдорастворимость.
- R.B. Gupta, J.-J. Shim. Solubility in supercritical carbon dioxide (CRC Press. Taylor \& Francis Group., 2007)
- P.H.V. Konynenburg, R.L. Scott. Philos. Trans. R. Soc., 298, 495 (1980). DOI: 10.1098/rsta.1980.0266
- D.F. Williams. J. Chem. Eng. Sci., 36, 1769 (1981)
- Ф.М. Гумеров, А.А. Сагдеев, Д.Г. Амирханов. Растворимость веществ в сверхкритических флюидных средах (LAP Lambert, Germany, 2016)
- O. Kazunari, K. Takashi. Verfahren zur herstellung eines extraktes (Patentschrift, DE 34 24 614 C2, 1985)
- Ф.М. Гумеров, В.Ф. Хайрутдинов, З.И. Зарипов. ТОХТ, 55 (3), 273 (2021). DOI: 10.31857/S0040357121030076 [F.M. Gumerov, V.F. Khairutdinov, Z.I. Zaripov. Theor. Found. Chem. Eng., 55 (3), 348 (2021). DOI: 10.1134/S0040579521030076]
- В.Ф. Хайрутдинов, Ф.М. Гумеров, И.Ш. Хабриев, Р.Ф. Габитов, М.И. Фарахов, Ф.Р. Габитов, З.И. Зарипов. Экология и промышленность России, 24 (9), 4 (2020). DOI: 10.18412/1816-0395-2020-9-4-10 [V.F. Khairutdinov, F.M. Gumerov, I.Sh. Khabriev, R.F. Gabitov, M.I. Farakhov, F.R. Gabitov, Z.I. Zaripov. Ecology and Industry of Russia, 24 (9), 4 (2020). DOI: 10.18412/1816-0395-2020-9-4-10]
- Ф.М. Гумеров, З.И. Зарипов, В.Ф. Хайрутдинов, Д.И. Сагдеев. ТОХТ, 57 (1), 48 (2023). DOI: 10.31857/S0040357123010050 [F.M. Gumerov, Z.I. Zaripov, V.F. Khairutdinov, D.I. Sagdeev. Theor. Found. Chem. Eng., 57 (1), 45 (2023). DOI: 10.1134/S0040579523010050]
- Ф.М. Гумеров. Сверхкритические флюидные технологии, учебник для вузов (Дань, СПб., 2022)
- Н.В. Меньшутина. Chem. J., 9, 34 (2019)
- А.З. Паташинский, В.Л. Покровский. Флуктуационная теория фазовых переходов (Наука, М., 1975)
- И.Л. Фабелинский. Молекулярное рассеяние света (Наука, М., 1965)
- Г. Стенли. Фазовые переходы и критические явления (Мир, М., 1973)
- Т. Камминс, Э. Пайк. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов (Мир, М., 1978)
- М.А. Анисимов. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах (Наука, М., 1987)
- D.S. Cannell, J.H. Lunacek. J. de Physique, 33, 1 (1972)
- М.А. Анисимов, А.В. Воронель, Е.Е. Городецкий. ЖЭТФ, 60 (3), 1117 (1971)
- A.H. Ewald, W.B. Jepson, J.S. Rowlinson. Disc. Faraday Soc., 19, 238 (1953)
- E.U. Franck. Z. Physik. Chem., 6, 345 (1956)
- J. Chrastil. J. Phys. Chem., 86, 3016 (1982). DOI: 10.1021/j100212a041
- C.A. Eckert, D.H. Ziger, K.P. Johnston, T.K. Ellison. Fluid Phase Equilib., 14, 167 (1983). DOI: 10.1016/0378-3812(83)80122-8
- S. Kim, K.P. Johnston. Ind. Eng. Chem. Res., 26, 1206 (1987). DOI: 10.1021/ie00066a024
- O. Kajimoto, M. Futakami, T. Kobayashi, K. Yamasaki. J. Phys. Chem., 92, 1347 (1988). DOI: 10.1021/j100316a066
- I.B. Petsche, P.G. Debenedetti. J. Chem. Phys., 91, 7075 (1989). DOI: 10.1063/1.457325
- H.D. Cochran, L.L. Lee. Solvation structure in supercritical fluid mixtures based on molecular distribution functions. Ch. 3. in Johnston K.P., Penninger J.M.L. Supercritical science and technology (ASC Symp. Series, Washington, 1989)
- J. Freitag, S. Kato. J. of Supercritical Fluids, 43, 398 (2008). DOI: 10.1016/j.supflu.2007.07.007
- М.Г. Гоникберг. Высокие и сверхкритические давления в химии (Наука, М., 1968)
- W.-L. Weng, M.-J. Lee. Ind. Eng. Chem. Res., 31, 2469 (1992). DOI: 10.1021/ie00012a022
- S. Peper, V. Haverkamp, R. Dohrn. J. Supercritical Fluids, 55, 537 (2010). DOI: 10.1016/j.supflu.2010.09.014
- T. Gamse, R. Marr. J. Chem. Eng. Data, 46, 117 (2001). DOI: 10.1021/je990306p
- M.J. Lazzaroni, D. Bush, J.S. Brown, C.A. Eckert. J. Chem. Eng. Data, 50 (1), 60 (2005). DOI: 10.1021/je0498560
- L.F. Zilnik, M. Grilc, J. Levec, S. Peper, R. Dohrn. Fluid Phase Equilibria, 419, 31 (2016). DOI: 10.1016/j.fluid.2016.03.010
- C.-Y. Day, C.J. Chang, C.-Y. Chen. J. Chem. Eng. Data, 41 (4), 839 (1996). DOI: 10.1021/je960049d
- V. Margon, U.S. Agarwal, C.J. Peters, G. de Wit, J.M.N. van Kasteren, P.J. Lemstra. J. Supercritical Fluids, 27, 25 (2003). DOI: 10.1016/S0896-8446(02)00214-0
- J.A. Lopes, D. Chouchi, M.N. da Ponte. J. Chem. Eng. Data, 48 (4), 847 (2003). DOI: 10.1021/je025600n
- M. Skerget, D. Cucek, Z. Knez. J. Supercritical Fluids, 95, 129 (2014). DOI: 10.1016/j.supflu.2014.08.019
- Б.Н. Бурханов, А.А. Усаров, Ф.Н. Темиров. Golden Brain. Multidisciplinary Sci., 1 (10), 115 (2023)
- Р.А. Каюмов, А.Т. Галимова, А.А. Сагдеев, А.А. Петухов, Ф.М. Гумеров. Сверхкритические флюиды. Теория и практика, 7 (1), 3 (2012)
- T. Adrian, G. Maurer. J. Chem. Eng. Data, 42 (4), 668 (1997). DOI: 10.1021/je970011g
- C.J. Chang, C.-Y. Day, C.-M. Ko, K.-L. Chiu. Fluid Phase Equilib., 131, 243 (1997). DOI: 10.1016/s0378-3812(96)03208-6
- E.W. Lemmon, M.L. Huber, M.O. Mc Linden. NIST Standard Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties (REFPROP, version 10.0. Standard Reference Data Program. National Institute of Standards and Technology, Gaithershung, 2018)