乙醇-環(huán)己烷-水三元液液相平衡實(shí)驗(yàn)條件探索

田 文，吉俊懿，蔣 煒，余 徽

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

乙醇-環(huán)己烷-水三元液液相平衡實(shí)驗(yàn)條件探索

田 文，吉俊懿，蔣 煒，余 徽

（四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065）

以乙醇-環(huán)己烷-水為體系開展本科生三元液液相平衡測(cè)定實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)方案的可行性與合理性。該文結(jié)合專業(yè)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中設(shè)備搭建、分析方法等多方面進(jìn)行綜合考慮，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。選取不同溫度測(cè)定乙醇-環(huán)己烷-水三元體系的溶解度曲線及平衡聯(lián)結(jié)線，確定最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件。結(jié)果表明，反應(yīng)溫度為20℃時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象易于觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定。通過(guò)后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分配系數(shù)K，計(jì)算選擇性系數(shù)β及利用Origin制圖軟件作圖。

相平衡，溶解度曲線，平衡聯(lián)結(jié)線

為進(jìn)一步提高本科教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的多元化發(fā)展，提高本科生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和對(duì)專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用能力，四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院工程實(shí)驗(yàn)中心在現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上大力進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)工作。三元液液相平衡測(cè)定實(shí)驗(yàn)作為化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)，能為化工原理萃取單元操作確定萃取條件［1］，是溶劑萃取過(guò)程和裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，受到了廣泛關(guān)注［2－5］，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)將化工基礎(chǔ)課與專業(yè)課［6］的相關(guān)知識(shí)有效結(jié)合，對(duì)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著重要意義。

本科實(shí)驗(yàn)的建設(shè)應(yīng)從實(shí)驗(yàn)體系、分析方法、實(shí)驗(yàn)安全性等多方面進(jìn)行綜合考慮。目前，國(guó)內(nèi)較多學(xué)校開展了三元液液相平衡實(shí)驗(yàn)，涉及的體系主要為苯-水-醋酸［7－8］，醋酸-水-醋酸乙烯酯和乙醇-環(huán)己烷-水體系［9］等。然而苯的毒性較大，醋酸具有較大的刺激氣味，冰點(diǎn)也較低（16.7℃），無(wú)法獲取較低溫度下體系的三元相圖數(shù)據(jù)。因此，從安全性和可操作性考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇了毒性較低的乙醇-環(huán)己烷-水三元體系測(cè)定溶解度曲線。平衡聯(lián)結(jié)線測(cè)試常用的分析方法包括濁點(diǎn)-物性聯(lián)合法、滴定法［9］和色譜分析法［10］等。針對(duì)乙醇-環(huán)己烷-水體系，若采用濁點(diǎn)-折光指數(shù)法，易揮發(fā)性的環(huán)己烷與乙醇會(huì)導(dǎo)致較大測(cè)試誤差；色譜分析法雖然能得到較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但對(duì)色譜柱的要求較高，并且不利于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；而滴定法能有效地克服上述困難。綜上所述，本文采用乙醇-環(huán)己烷-水三元體系進(jìn)行三元液系的溶解度曲線測(cè)定，并利用滴定法進(jìn)行平衡聯(lián)結(jié)線的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

為了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，對(duì)不同溫度下（15℃、20℃、25℃）三元體系溶解度曲線及平衡聯(lián)結(jié)線測(cè)定數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的現(xiàn)象，討論了實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性與測(cè)試溫度之間的關(guān)系。同時(shí)讓學(xué)生學(xué)會(huì)分配系數(shù)K，選擇性系數(shù)β的計(jì)算，并利用origin軟件繪制三元相圖，拓展學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

主要設(shè)備：YP1002N萬(wàn)分之一分析天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；低溫恒溫槽（天津比朗實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司）；79－1磁力加熱攪拌器（常州國(guó)華電器有限公司）；特制液夾套反應(yīng)釜（成都凌云玻璃廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1）溶解度曲線的測(cè)定

利用恒溫水槽將循環(huán)水注入夾套內(nèi)，如圖1所示。維持反應(yīng)釜內(nèi)溫度（15℃、20℃、25℃）不變，按不同質(zhì)量比稱取環(huán)己烷和蒸餾水分別加入反應(yīng)釜中，攪拌2～3 min使環(huán)己烷和水混合均勻。用醫(yī)用針管抽取無(wú)水乙醇向釜內(nèi)滴加，仔細(xì)觀察溶液變化，當(dāng)溶液開始變澄清時(shí)立即停止滴加無(wú)水乙醇，利用差量法計(jì)算無(wú)水乙醇的質(zhì)量，根據(jù)烷、醇和水的質(zhì)量比得到溶解度點(diǎn)的位置。

2）平衡雙節(jié)點(diǎn)線的測(cè)定

配制一定質(zhì)量比的環(huán)己烷-乙醇-水溶液（系統(tǒng)點(diǎn)），充分?jǐn)嚢韬箪o止分層，取一定量水層注入平衡釜內(nèi)，利用差量法得到水層質(zhì)量。用50∶50 wt的乙醇-環(huán)己烷溶液進(jìn)行滴定，當(dāng)溶液由濁變清時(shí)停止滴加，記錄所用滴定液的量，根據(jù)杠桿規(guī)則在三元相圖中確定水層點(diǎn)的位置，連接系統(tǒng)點(diǎn)確定平衡雙節(jié)點(diǎn)線［5］。

2 結(jié)果與討論

由于水和環(huán)己烷在室溫下的相互溶解度小，因此可忽略互溶情況，在繪制三元相圖時(shí)將各點(diǎn)連成平滑曲線并外延到三角形的兩個(gè)頂點(diǎn)得到溶解度曲線。如圖2所示，學(xué)生在15℃和20℃下測(cè)定的溶解度曲線較穩(wěn)定；在25℃時(shí)，得到的溶解度曲線與15℃及20℃的溶解度曲線相比較，相對(duì)不穩(wěn)定。這是由于較高溫度下環(huán)己烷與乙醇的揮發(fā)度較大，準(zhǔn)確量取與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的密封更為困難。

表1為不同溫度下平衡聯(lián)結(jié)線測(cè)定數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)點(diǎn)按乙醇∶環(huán)己烷∶水約為1∶1∶2和1∶1∶1的比例進(jìn)行配制。根據(jù)杠桿規(guī)則，將下層水層的位置在相圖中確定，連接系統(tǒng)點(diǎn)得到平衡聯(lián)結(jié)線，如圖2所示。根據(jù)圖2中平衡聯(lián)結(jié)線的位置讀取共軛相組成，分別計(jì)算分配系數(shù)K和選擇性系數(shù)β。

圖2 水-環(huán)己烷-乙醇在不同溫度時(shí)的三元相圖

表1 不同溫度平衡聯(lián)結(jié)線測(cè)定數(shù)據(jù)

表2 不同溫度共軛相組成、分配系數(shù)及選擇性系數(shù)

如圖3所示為不同溫度實(shí)驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)象圖，從圖中可以看出，當(dāng)溫度為15℃時(shí)，由于釜內(nèi)溫度低于室溫（小于25℃），釜的外壁會(huì)出現(xiàn)霧狀，不便于觀察現(xiàn)象，20℃和25℃時(shí)現(xiàn)象觀察較清晰。

圖3 不同溫度實(shí)驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)象圖

3 討論

3.1可行性與培養(yǎng)目標(biāo)

針對(duì)三元液液相平衡的實(shí)驗(yàn)需求，通過(guò)低溫恒溫水浴外循環(huán)將恒溫循環(huán)水注入夾套中，維持釜內(nèi)溫度恒定的同時(shí)可便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)，為了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中盡量密封避免溶劑揮發(fā)，在滴定過(guò)程中采取注射器刺穿膠塞滴定。實(shí)驗(yàn)中配置兩臺(tái)設(shè)備，3個(gè)學(xué)生為一組，學(xué)生可親自動(dòng)手操作，同時(shí)又能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，還能在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，學(xué)習(xí)利用Origin制圖軟件繪制三元相圖。

3.2穩(wěn)定性

在本實(shí)驗(yàn)中，乙醇和環(huán)己烷屬于易揮發(fā)物質(zhì)，操作溫度過(guò)高溶液容易揮發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響較大；操作溫度過(guò)低，夾套反應(yīng)釜套壁上會(huì)產(chǎn)生霧氣影響對(duì)溶液清濁變化的判斷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，環(huán)境溫度在25℃左右，操作溫度在15℃時(shí)夾套壁上出現(xiàn)霧氣影響學(xué)生觀察現(xiàn)象，在25℃時(shí)測(cè)定的溶解度曲線誤差較大，在20℃時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好的保證結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，因綜合考慮實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

平衡結(jié)點(diǎn)線的測(cè)定中，要保證配置的系統(tǒng)點(diǎn)溶液的充分混合和靜置，抽取下層時(shí)會(huì)引起擾動(dòng)，所以針尖進(jìn)入下層時(shí)應(yīng)該穩(wěn)定1～2 min后再抽取下層溶液，將下層溶液注入反應(yīng)釜時(shí)需將針尖上的溶液擦凈，同時(shí)擠出幾滴溶液防止上層溶液混入。整個(gè)操作均在恒溫下進(jìn)行，防止溫度變化影響溶解度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，用滴定法測(cè)定平衡節(jié)點(diǎn)線觀察溶液清—濁—清的變化過(guò)程，不僅能得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)能讓學(xué)生對(duì)三元平衡原理產(chǎn)生更為直觀的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)學(xué)生測(cè)試數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)條件基本滿足本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)要求，可讓學(xué)生在有限學(xué)時(shí)內(nèi)完成并得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在后期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，學(xué)生對(duì)三元相圖有更深的認(rèn)識(shí)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在綜合性不足的問(wèn)題，可通過(guò)以下3個(gè)方面進(jìn)一步優(yōu)化完善設(shè)計(jì)：1）可通過(guò)噴涂消霧劑等方式消除外壁起霧的現(xiàn)象，降低環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試溫度的影響，同時(shí)測(cè)量低溫下溶解度曲線；2）可讓學(xué)生利用低毒的烷烴類代替環(huán)己烷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同體系下三元液液相平衡數(shù)據(jù)；3）在相同的實(shí)驗(yàn)條件下采取不同的分析方法測(cè)定平衡聯(lián)結(jié)線，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比各種分析方法的利弊。

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Exploration the Experimental Conditions of Ethanol－Cyclohexane－Water System Ternary Liquid Phase Equilibrium

TIAN Wen JI Junyi JIANG Wei YU Hui
（College of Chemical Engineering，SiChuan University，Chengdu 610065，China）

With an ethanol－cyclohexane－water system to carry out a ternary liquid phase equilibrium determination experiment for undergraduate students，this paper analyses the feasibility and rationality of the experiment.Combined with the major experiment characteristics，many experimental details are intergated considered such as experimental equipment building，analysing methods et al to optimizate the experimental programme.Under different temperatures，we determine the solubility curve and balance connection line of ethanol－cyclohexane－water ternary system to ensure the optimal experimental condition.The results show that when the reaction temperature at20℃，the experimental phenomenon in the reaction vessel can be observated clearly，as well as a stable experimental results can be obtained，By later analysing and discussion of the experimental data，students can learn the calculation method of the distribution coefficient K，the selectivity coefficientβ，and the graphical plotting method of the Origin software.

phase equilibrium；solubility curve；balance connection line

O6－3

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.007

2015－08－09；修改日期：2015－09－12

四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)立項(xiàng)（2013－44）。

田文（1987－），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)工作與研究。