電場(chǎng)對(duì)化學(xué)物質(zhì)分離作用的初步探討

李伏陽，校亞斌，張　磊

(蒲城清潔能源化工有限責(zé)任公司，陜西　蒲城　715500)

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電場(chǎng)對(duì)化學(xué)物質(zhì)分離作用的初步探討

李伏陽，校亞斌，張磊

(蒲城清潔能源化工有限責(zé)任公司，陜西蒲城715500)

為解決某些物理性質(zhì)相近、化學(xué)性質(zhì)相似的物質(zhì)難分離的問題，根據(jù)不同極性的分子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)的難易程度不同，首次提出了物質(zhì)分離的一種新方法。論文研究了靜電場(chǎng)對(duì)液體的作用，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了在高壓電場(chǎng)作用下四氯化碳、乙酸乙酯、硝基苯以及苯胺等物質(zhì)發(fā)生了前人未曾報(bào)道過的“回流”現(xiàn)象，并考察其影響因素。結(jié)果表明，高壓靜電場(chǎng)可導(dǎo)致某些電導(dǎo)率小的液體產(chǎn)生“回流”現(xiàn)象，并且該現(xiàn)象對(duì)某些液體混合物具有一定的分離效果。

電場(chǎng)；極性；分離；“回流”

分離科學(xué)是研究物質(zhì)分離、富集和純化的一門學(xué)科，分離是利用混合物中各組分在物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)上的差異，通過適當(dāng)?shù)难b置或方法，使各組分分配至不同的空間區(qū)域或者在不同的時(shí)間依次分配至同一空間區(qū)域的過程。通俗地講，就是將某種或某類物質(zhì)從復(fù)雜的混合物中分離出來，使之與其他物質(zhì)分開，以相對(duì)純的形式存在。常見的物質(zhì)分離方法有精餾法，萃取分離法，膜分離技術(shù)，液膜分離，區(qū)域熔融法[1-6]等。

1　本課題的提出及意義

現(xiàn)有的分離方法能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)物質(zhì)之間的分離,但是，對(duì)于物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)相似的有機(jī)混合物(如煤焦油)的分離，采用目前的分離方法如精餾法、萃取分離法等進(jìn)行有效分離是非常困難的。這些方法分別主要運(yùn)用了物質(zhì)沸點(diǎn)、溶解度等的差異，但有操作復(fù)雜、成本高、回收率低、污染大以及產(chǎn)物純度低等缺點(diǎn)[6]。我們提出利用分子極性的差異，利用電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)二者分離的新方法。此方法在國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道。

2　實(shí)驗(yàn)步驟

2.1電極安裝方式對(duì)“回流”的影響的測(cè)試

圖1　自制容器實(shí)物

圖2　正極形狀示意圖

用剪刀剪一個(gè)與自制容器(如圖1所示)杯口等大的圓形鋁片和稍大的方形鋁片(如圖2所示)，將圓形鋁片安放于自制容器的內(nèi)側(cè)杯底，并接在高壓電源的負(fù)極上，將方形鋁片接在高壓電源的正極上。用量筒量取50 mL的四氯化碳于自制容器中，將正極安放于容器的杯口。將電壓加至20.00 kV，觀察下列三種情況下溶液的“回流”狀況：正極平放于杯口(以下稱為方法一)、將正極長(zhǎng)邊的尖角貼緊裝置的內(nèi)側(cè)杯壁并且其它部分平放(以下稱為方法二)以及將正極長(zhǎng)邊的尖角貼緊裝置的內(nèi)側(cè)杯壁并且其它部分貼緊外側(cè)杯壁(以下稱為方法三)。

2.2容器傾斜對(duì)“回流”影響的測(cè)試

用量筒取50 mL的苯胺于自制容器中，按方法三安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，將自制容器直立放置。將電壓升至20.00 kV，觀察是否“回流”，記錄電流大小I1。然后進(jìn)行如下操作：

(1) 緩慢降低電壓直到電流剛降至0.00 mA;

(2) 記錄此時(shí)的電壓值V1以及是否還有輕微“回流”現(xiàn)象；

(3)關(guān)閉電源，搖動(dòng)自制容器使壁上液體流下，打開電源，緩慢升高電壓至電流剛為0.01 mA，記錄電壓值V2；

(4)重復(fù)步驟(1)和(2)五次，記錄各個(gè)數(shù)據(jù)；

(5)將自制容器傾斜放置，重復(fù)上述步驟。

2.3各物質(zhì)能否產(chǎn)生“回流”的測(cè)試

用量筒量取50 mL的CCl4，倒入自制容器中。按照方法三安裝好裝置，將電壓加至20.00 kV，看液體是否產(chǎn)生“回流”。若不“回流”，則搖動(dòng)液體使其與正極接觸，看是否“回流”。如果該液體能夠“回流”，則記錄電流大小I。將CCl4分別換成丙酮、乙酸乙酯、硝基苯、苯胺、蒸餾水和乙腈，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

2.4“回流”對(duì)四氯化碳、硝基苯分離效果的測(cè)試

(1)用量筒量取20 mL硝基苯和20 mL的四氯化碳傾倒于自制容器中，按照方法三安裝好實(shí)驗(yàn)裝置；

(2)以87%的甲醇為流動(dòng)相，對(duì)四氯化碳和硝基苯各自做液相色譜分析，找出其調(diào)整保留時(shí)間；

(3)將電壓升至20.00 kV，分別收集通過“回流”溢出容器的液體和容器內(nèi)部的液體，對(duì)其做液相色譜分析，分析其組分的變化。

2.5“回流”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及產(chǎn)生的原因分析

強(qiáng)電場(chǎng)下液體的“回流”是指在高壓電場(chǎng)作用下出現(xiàn)的，電極間液體沿?zé)谠谝好媾c燒杯口處電極之間來回流動(dòng)的一種類似于回流的現(xiàn)象。該現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于我們?cè)噲D通過外加電場(chǎng)促使四氯化碳和硝基苯的混合液分層的實(shí)驗(yàn)中。

該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是：負(fù)極使溶液帶上負(fù)電荷，帶負(fù)電的溶液在正極的吸引下沿?zé)谏仙?，?dāng)?shù)竭_(dá)正極時(shí)，溶液的負(fù)電荷被正極抵消并帶上正電荷，受負(fù)極吸引及重力的影響，液體在此沿?zé)谙侣渲翢撞俊Ｈ绱朔磸?fù)便產(chǎn)生了“回流”現(xiàn)象。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1電極安放方式的影響

由表1可知，電極平放時(shí)四氯化碳溶液保持靜止，并無“回流”現(xiàn)象發(fā)生；當(dāng)正極有一尖端貼緊內(nèi)壁時(shí)，開始有明顯的“回流”現(xiàn)象產(chǎn)生；在正極有一尖端貼緊內(nèi)壁并且正極其它部分緊貼外壁時(shí)，“回流”高度增大。由此可見，相比之下方法三為最適合“回流”的正極的放置方法。

表1　電極安放方式的影響

3.2容器是否傾斜的影響

首先需要說明的是，在衡量“回流”的強(qiáng)弱時(shí)，很難找到一個(gè)衡量的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)物質(zhì)“回流”發(fā)生后，會(huì)有電流產(chǎn)生(電流的產(chǎn)生稍滯后于“回流”的產(chǎn)生)，而且“回流”現(xiàn)象越明顯，電流值越大。因此，本實(shí)驗(yàn)將電流的有無作為判斷“回流”是否發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)，將電流的大小作為衡量“回流”劇烈程度的尺度。

表2　容器是否傾斜的影響

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可求得：豎直放置時(shí)，V1的平均值為13.91 kV，V2的平均值為14.49 kV；傾斜放置時(shí)，V1的平均值為12.25 kV，V2的平均值為12.65 kV，這兩個(gè)數(shù)值均小于容器豎直放置時(shí)的數(shù)值。并且在20.00 kV時(shí)，容器傾斜放置的“回流”現(xiàn)象明顯要比豎直放置時(shí)的要?jiǎng)×?表2中I1的大小可反應(yīng)該情況)。由此可見，容器傾斜放置比容器豎直放置更有利于“回流”。

3.3電導(dǎo)率的影響

在電壓為20.00 kV時(shí)，對(duì)不同物質(zhì)能否產(chǎn)生“回流”做了測(cè)試，結(jié)果如表3。

表3　各物質(zhì)在20.00 kV下的“回流”情況

從表3中可以看出，在電壓為20.00 kV、液體的體積為50 mL、容器規(guī)格為直徑5 cm高8 cm、電流大小不大于1 mA以及用方法三安裝實(shí)驗(yàn)裝置的情況下，四氯化碳、硝基苯、乙腈和苯胺能夠發(fā)生“回流”，而蒸餾水和丙酮不能發(fā)生“回流”。而且，不發(fā)生“回流”的物質(zhì)在該電壓下均發(fā)生了尖端放電。

對(duì)上述各種物質(zhì)的電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量，各自的電導(dǎo)率值如表4所示。

表4　幾種液體的電導(dǎo)率值

對(duì)照上述各物質(zhì)的“回流”情況和其電導(dǎo)率值可以發(fā)現(xiàn)：凡是能發(fā)生“回流”的物質(zhì)的電導(dǎo)率都相對(duì)較小，而不能發(fā)生“回流”現(xiàn)象的物質(zhì)電導(dǎo)率都相對(duì)較大。

3.4對(duì)四氯化碳、硝基苯混合溶液分離的效果

由于四氯化碳的紫外吸收峰為215 nm，而硝基苯在整個(gè)紫外區(qū)都有遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于四氯化碳的吸收，因此液相色譜分析時(shí)應(yīng)選擇的最合適的波長(zhǎng)應(yīng)該在215 nm左右。對(duì)二者進(jìn)行液相色譜分析可得到各自的吸收峰分別為2.248和2.923。

圖3　通過“回流”溢出的液體的液相色譜圖

圖4　剛開始“回流”時(shí)容器內(nèi)部液體的液相色譜圖

圖4所示的數(shù)據(jù)中，2.182處為硝基苯的峰，2.932處為四氯化碳的峰。

由上述圖3、圖4可以算出，“回流”后的液體中可算出硝基苯和四氯化碳的峰面積之比為201.4068，未經(jīng)“回流”的液體中硝基苯和四氯化碳的峰面積比為47.441。由此可見，“回流”后的液體中硝基苯的增加、四氯化碳的含量減小，這種情況與硝基苯和四氯化碳各自“回流”的難易程度相符(在20.00 kV的作用下，硝基苯能夠在正極和液面之間完全“回流”起來，而四氯化碳即使在搖動(dòng)后也無法完全“回流”，該液體只能沿杯壁上升至杯壁的一定位置處)，由此可以看出“回流”對(duì)硝基苯和四氯化碳的混合液有一定的分離效果。

4　結(jié)　論

(1)在20.00 kV的電壓作用下，電導(dǎo)率較小的液體物質(zhì)能夠發(fā)生“回流”現(xiàn)象，電導(dǎo)率較大的不能發(fā)生“回流”現(xiàn)象；

(2)某些液體發(fā)生“回流”現(xiàn)象需要一些觸發(fā)條件，這些觸發(fā)條件包括有：搖動(dòng)液體使其與容器口的電極接觸、將容器口的電極剪出一個(gè)尖端并使其緊貼容器內(nèi)壁以及將容器內(nèi)壁用該液體提前潤(rùn)濕；

(3)裝液體的容器傾斜有利于“回流”的發(fā)生；

(4)電壓越大，“回流”現(xiàn)象越劇烈；

(5)“回流”對(duì)四氯化碳和硝基苯的混合溶液具有一定的分離效果。

最后，在電場(chǎng)作用下使乙酰氯、硝基苯和三氯化鋁發(fā)生反應(yīng)，并且對(duì)部分產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析，得出了以下結(jié)論：與不加電場(chǎng)相比，在電場(chǎng)作用下乙酰氯、硝基苯和三氯化鋁有新的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

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Preliminary Study Electric Field Separation of Chemical Substances

LIFu-yang,XIAOYa-bin,ZHANGLei

(Pucheng Clean Energy Chemical Co., Ltd., Shaanxi Pucheng 715500, China)

To solve the difficult issue of separation of some substances that physical properties and chemically were similar, depending on the difficulty of the different polarity of the molecules to move under the electric field, a new method was proposed for material separation for the first time. The separation device was independently designed and processed, after considering various factors and many improvements. Besides, the influence of the electrostatic field on the liquid was studied. The separation experiment was also conducted. The phenomenon that some liquid such as carbon tetrachloride, ethyl acetate, nitrobenzene and aniline, “reflux” in the strong electric field which the predecessors had not yet reported, was discovered in the experiment. The results showed that the liquid mixture with different polarity which was studied in the experiment couldn’t be separated significantly using the device, the "reflux" phenomenon could take place in some liquids with small electrical conductivities, which also had effect of separating some liquid mixtures.

electric field; polarity; separation; reflux

TQ069

A

1001-9677(2016)02-0090-03