电场对化学物质分离作用的初步探讨

李伏阳，校亚斌，张　磊

(蒲城清洁能源化工有限责任公司，陕西　蒲城　715500)



电场对化学物质分离作用的初步探讨

李伏阳，校亚斌，张磊

(蒲城清洁能源化工有限责任公司，陕西蒲城715500)

为解决某些物理性质相近、化学性质相似的物质难分离的问题，根据不同极性的分子在电场作用下移动的难易程度不同，首次提出了物质分离的一种新方法。论文研究了静电场对液体的作用，实验中发现了在高压电场作用下四氯化碳、乙酸乙酯、硝基苯以及苯胺等物质发生了前人未曾报道过的“回流”现象，并考察其影响因素。结果表明，高压静电场可导致某些电导率小的液体产生“回流”现象，并且该现象对某些液体混合物具有一定的分离效果。

电场；极性；分离；“回流”

分离科学是研究物质分离、富集和纯化的一门学科，分离是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异，通过适当的装置或方法，使各组分分配至不同的空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。通俗地讲，就是将某种或某类物质从复杂的混合物中分离出来，使之与其他物质分开，以相对纯的形式存在。常见的物质分离方法有精馏法，萃取分离法，膜分离技术，液膜分离，区域熔融法[1-6]等。

1　本课题的提出及意义

现有的分离方法能实现大多数物质之间的分离,但是，对于物理性质和化学性质相似的有机混合物(如煤焦油)的分离，采用目前的分离方法如精馏法、萃取分离法等进行有效分离是非常困难的。这些方法分别主要运用了物质沸点、溶解度等的差异，但有操作复杂、成本高、回收率低、污染大以及产物纯度低等缺点[6]。我们提出利用分子极性的差异，利用电场实现二者分离的新方法。此方法在国内外未见报道。

2　实验步骤

2.1电极安装方式对“回流”的影响的测试

图1　自制容器实物

图2　正极形状示意图

用剪刀剪一个与自制容器(如图1所示)杯口等大的圆形铝片和稍大的方形铝片(如图2所示)，将圆形铝片安放于自制容器的内侧杯底，并接在高压电源的负极上，将方形铝片接在高压电源的正极上。用量筒量取50 mL的四氯化碳于自制容器中，将正极安放于容器的杯口。将电压加至20.00 kV，观察下列三种情况下溶液的“回流”状况：正极平放于杯口(以下称为方法一)、将正极长边的尖角贴紧装置的内侧杯壁并且其它部分平放(以下称为方法二)以及将正极长边的尖角贴紧装置的内侧杯壁并且其它部分贴紧外侧杯壁(以下称为方法三)。

2.2容器倾斜对“回流”影响的测试

用量筒取50 mL的苯胺于自制容器中，按方法三安装好实验装置，将自制容器直立放置。将电压升至20.00 kV，观察是否“回流”，记录电流大小I1。然后进行如下操作：

(1) 缓慢降低电压直到电流刚降至0.00 mA;

(2) 记录此时的电压值V1以及是否还有轻微“回流”现象；

(3)关闭电源，摇动自制容器使壁上液体流下，打开电源，缓慢升高电压至电流刚为0.01 mA，记录电压值V2；

(4)重复步骤(1)和(2)五次，记录各个数据；

(5)将自制容器倾斜放置，重复上述步骤。

2.3各物质能否产生“回流”的测试

用量筒量取50 mL的CCl4，倒入自制容器中。按照方法三安装好装置，将电压加至20.00 kV，看液体是否产生“回流”。若不“回流”，则摇动液体使其与正极接触，看是否“回流”。如果该液体能够“回流”，则记录电流大小I。将CCl4分别换成丙酮、乙酸乙酯、硝基苯、苯胺、蒸馏水和乙腈，重复上述实验。

2.4“回流”对四氯化碳、硝基苯分离效果的测试

(1)用量筒量取20 mL硝基苯和20 mL的四氯化碳倾倒于自制容器中，按照方法三安装好实验装置；

(2)以87%的甲醇为流动相，对四氯化碳和硝基苯各自做液相色谱分析，找出其调整保留时间；

(3)将电压升至20.00 kV，分别收集通过“回流”溢出容器的液体和容器内部的液体，对其做液相色谱分析，分析其组分的变化。

2.5“回流”现象的发现及产生的原因分析

强电场下液体的“回流”是指在高压电场作用下出现的，电极间液体沿烧杯壁在液面与烧杯口处电极之间来回流动的一种类似于回流的现象。该现象发现于我们试图通过外加电场促使四氯化碳和硝基苯的混合液分层的实验中。

该现象产生的原因可能是：负极使溶液带上负电荷，带负电的溶液在正极的吸引下沿烧杯壁上升，当到达正极时，溶液的负电荷被正极抵消并带上正电荷，受负极吸引及重力的影响，液体在此沿烧杯壁下落至烧杯底部。如此反复便产生了“回流”现象。

3　实验结果

3.1电极安放方式的影响

由表1可知，电极平放时四氯化碳溶液保持静止，并无“回流”现象发生；当正极有一尖端贴紧内壁时，开始有明显的“回流”现象产生；在正极有一尖端贴紧内壁并且正极其它部分紧贴外壁时，“回流”高度增大。由此可见，相比之下方法三为最适合“回流”的正极的放置方法。

表1　电极安放方式的影响

3.2容器是否倾斜的影响

首先需要说明的是，在衡量“回流”的强弱时，很难找到一个衡量的标准，经过大量的实验发现，大多数物质“回流”发生后，会有电流产生(电流的产生稍滞后于“回流”的产生)，而且“回流”现象越明显，电流值越大。因此，本实验将电流的有无作为判断“回流”是否发生的标准，将电流的大小作为衡量“回流”剧烈程度的尺度。

表2　容器是否倾斜的影响

根据表2中数据可求得：竖直放置时，V1的平均值为13.91 kV，V2的平均值为14.49 kV；倾斜放置时，V1的平均值为12.25 kV，V2的平均值为12.65 kV，这两个数值均小于容器竖直放置时的数值。并且在20.00 kV时，容器倾斜放置的“回流”现象明显要比竖直放置时的要剧烈(表2中I1的大小可反应该情况)。由此可见，容器倾斜放置比容器竖直放置更有利于“回流”。

3.3电导率的影响

在电压为20.00 kV时，对不同物质能否产生“回流”做了测试，结果如表3。

表3　各物质在20.00 kV下的“回流”情况

从表3中可以看出，在电压为20.00 kV、液体的体积为50 mL、容器规格为直径5 cm高8 cm、电流大小不大于1 mA以及用方法三安装实验装置的情况下，四氯化碳、硝基苯、乙腈和苯胺能够发生“回流”，而蒸馏水和丙酮不能发生“回流”。而且，不发生“回流”的物质在该电压下均发生了尖端放电。

对上述各种物质的电导率进行了测量，各自的电导率值如表4所示。

表4　几种液体的电导率值

对照上述各物质的“回流”情况和其电导率值可以发现：凡是能发生“回流”的物质的电导率都相对较小，而不能发生“回流”现象的物质电导率都相对较大。

3.4对四氯化碳、硝基苯混合溶液分离的效果

由于四氯化碳的紫外吸收峰为215 nm，而硝基苯在整个紫外区都有远远强于四氯化碳的吸收，因此液相色谱分析时应选择的最合适的波长应该在215 nm左右。对二者进行液相色谱分析可得到各自的吸收峰分别为2.248和2.923。

图3　通过“回流”溢出的液体的液相色谱图

图4　刚开始“回流”时容器内部液体的液相色谱图

图4所示的数据中，2.182处为硝基苯的峰，2.932处为四氯化碳的峰。

由上述图3、图4可以算出，“回流”后的液体中可算出硝基苯和四氯化碳的峰面积之比为201.4068，未经“回流”的液体中硝基苯和四氯化碳的峰面积比为47.441。由此可见，“回流”后的液体中硝基苯的增加、四氯化碳的含量减小，这种情况与硝基苯和四氯化碳各自“回流”的难易程度相符(在20.00 kV的作用下，硝基苯能够在正极和液面之间完全“回流”起来，而四氯化碳即使在摇动后也无法完全“回流”，该液体只能沿杯壁上升至杯壁的一定位置处)，由此可以看出“回流”对硝基苯和四氯化碳的混合液有一定的分离效果。

4　结　论

(1)在20.00 kV的电压作用下，电导率较小的液体物质能够发生“回流”现象，电导率较大的不能发生“回流”现象；

(2)某些液体发生“回流”现象需要一些触发条件，这些触发条件包括有：摇动液体使其与容器口的电极接触、将容器口的电极剪出一个尖端并使其紧贴容器内壁以及将容器内壁用该液体提前润湿；

(3)装液体的容器倾斜有利于“回流”的发生；

(4)电压越大，“回流”现象越剧烈；

(5)“回流”对四氯化碳和硝基苯的混合溶液具有一定的分离效果。

最后，在电场作用下使乙酰氯、硝基苯和三氯化铝发生反应，并且对部分产物进行红外光谱分析，得出了以下结论：与不加电场相比，在电场作用下乙酰氯、硝基苯和三氯化铝有新的化学反应发生。

[1]赵晶莹,李洪涛.精馏分离技术研究新进展[J].现代化工,2008,28(z1):121-124,126.

[2]Bosma T, Pikkem aat M G, Kingma J, et al. Steady-stateand pre-steady-state kineticanalys is of halopropaneconversion by a Rhodococcus haloalkane dehalogenase[J]. Biochemistry, 2003, 42(26): 8047-8053.

[3]Otyepka M, BanP, Magistrato A, et al. Second step ofhydrolytic dehalogenation in haloalkane deha logenaseinvestigated by QM/MM methods[J]. Proteins, 2008, 70(3): 707-717.

[4]药佩珍,邓凯,褚秀玲,等.精馏分离方法及其应用研究进展[J].山东化工,2009,38(12):24-27.

[5]TaylorR,KrishnaR.Modelling reactive distillation[J].Chemical Engineering Science,2000,55(22):5183-5229.

[6]孟贺,薛永强,王志忠,等.蒽、菲、咔唑的分离提纯方法[J].山西化工,2003,23(4):4-7.

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