Πειραματικές μετρήσεις και θερμοδυναμική μοντελοποίηση της χρήσης ιοντικών υγρών για το διαχωρισμό του αζεοτροπικού μίγματος 2-προπανόλη/νερό - Δήμου, Άννα- Ελπίδα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς, 2016)
Τα ιοντικά υγρά αποτελούν μία νέα κατηγορία διαλυτών ικανά να αντικαταστήσουν τους κοινούς οργανικούς διαλύτες προσφέροντας μια πληθώρα από πλεονεκτήματα, όπως τη χαμηλή τάση ατμών, την υψηλή θερμική και χημική σταθερότητα και τη μη ευφλεκτότητα. Αποτελούνται από ένα ασύμμετρο οργανικό κατιόν και από ένα μικρότερο ανόργανο ή οργανικό ανιόν. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτέλεσε η εξέταση της ικανότητας χρήσης των ιοντικών υγρών, φορμικό 2-υδροξυαιθυλαμμώνιο (2ΗΕΑF), οξικό 2-υδροξυαιθυλαμμώνιο (2HEAA) και βουτυρικό 2-υδροξυαιθυλαμμώνιο (2HEAB), ως συνδιαλύτες στον διαχωρισμό του αζεοτροπικού του μίγματος 2-προπανόλη/νερό, με εφαρμογή στη διεργασία της εκχυλιστικής απόσταξης. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις ισορροπίας φάσεων τόσο του δυαδικού μίγματος 2-προπανόλη/νερό όσο και των τριαδικών μιγμάτων 2-προπανόλη/νερό/ιοντικό υγρό. Μελετήθηκε η επίδραση του ανιόντος και της συγκέντρωσης του ιοντικού υγρού, στην ισορροπία των φάσεων του συστήματος. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις για κάθε ιοντικό υγρό στο αρχικό μίγμα 2-προπανόλη/νερό: 10%, 15%, 20 % w/w. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας έγινε επίσης θερμοδυναμική μοντελοποίηση των πειραματικών δεδομένων με τα μοντέλα τοπικής σύστασης UNIQUAC και NRTL. Τέλος, με τη βοήθεια των μοντέλων που αναπτύχθηκαν, υπολογίστηκαν οι ελάχιστες συγκεντρώσεις ιοντικών υγρών που απαιτούνται για τη διάσπαση του αζεότροπου. Mε την προσθήκη των ιοντικών υγρών στο μίγμα, όπου αλληλοεπιδρούσαν εκλεκτικά με το νερό, εμπλουτίζονταν η ατμώδης φάση με το συστατικό 2-προπανόλη και συνεπώς αυξάνονταν η σχετική πτητικότητα του συστήματος. Ως εκ τούτου, μετατοπίζονταν το αζεοτροπικό σημείο σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις 2-προπανόλης. Από τις πειραματικές μετρήσεις διαπιστώθηκε ότι το ιοντικό υγρό 2ΗΕΑF είναι ο καλύτερος συνδιαλύτης, ακολουθεί το 2ΗΕΑΑ και τέλος το 2ΗΕΑΒ. Έτσι η αύξηση του μεγέθους του ανιόντος επιδρά αρνητικά στο διαχωρισμό, συγκεκριμένα όσο μικρότερο το ανιόν του ιοντικού υγρού τόσο ευκολότερος ο διαχωρισμός του μίγματος. Όσον αφορά τη συγκέντρωση των ιοντικών στο αρχικό μίγμα σημειώθηκε ότι αυξανομένης της συγκέντρωσης επιτυγχάνεται μεγαλύτερη μετατόπιση του αζεοτροπικού σημείου έως τον πλήρη διαχωρισμό του. Από βιβλιογραφική έρευνα προκύπτει ότι ιοντικά υγρά όπως το [Βmim][Cl], το [Βmim][OΑc], το [Εmim][OΑc], το [Βmim][BF4], το [Βmim][N(CN)2] και το [Εmim][N(CN)2] είναι λιγότερο αποτελεσματικά σε σχέση με τα ιοντικά υγρά που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία μιας και απαιτούνται μικρότερες συγκεντρώσεις αυτών για την εξαφάνιση του αζεοτρόπου. Η θερμοδυναμική μοντελοποίηση του συστήματος με τα μοντέλα τοπικής σύστασης UNIQUAC και NRTL, ήταν ιδιαίτερα επιτυχής, δίνοντας μικρά σφάλματα στις θερμοκρασίες σημείου φυσαλίδας και τις συστάσεις της ατμώδους φάσης. Οι απαιτούμενες ποσότητες ιοντικού υγρού για το διαχωρισμό του αζεότροπου στις συνθήκες του πειράματος, όπως υπολογίστηκαν με το μοντέλο UNIQUAC, είναι: 12.5 % w/w 2HEAF, 13.2 % w/w 2HEAA και 19 % w/w 2HEAB. Εν κατακλείδι, η χρήση ιοντικών υγρών 2ΗΕΑF, 2HEAA και 2HEAB ως συνδιαλύτες για τη διάσπαση του αζεοτρόπου στο μίγμα 2-προπανόλη/νερό ήταν ιδιαίτερα επιτυχής. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα των συνδιαλυτών αυτών είναι ότι παρουσιάζουν υψηλά ποσοστά βιοαποικοδομησισημότητας, όπως έχει βρεθεί από άλλες διπλωματικές εργασίες. Τέλος, η χρήση του 2ΗΕΑF ως συνδιαλύτης στο διαχωρισμό της 2-προπανόλης από υδατικά διαλύματα με εκχυλιστική απόσταξη αποτελεί μια ελκυστική πρόταση.