废旧钝化RDX在环己酮-丙酮溶剂中溶解度的测定

2019-03-04陈思扬张幺玄丁玉奎曹凌宇

火炸药学报 2019年1期

陈思扬,张幺玄,丁玉奎,陈松,廉鹏,曹凌宇

(1.陆军工程大学石家庄校区，河北石家庄 050003; 2.西安近代化学研究所，陕西西安 710065)

引言

钝化RDX炸药(A-IX-I炸药)由RDX与钝感剂按照质量比95∶5混合而成，常被称作钝黑炸药[1]。以钝化RDX为基础原料添加一定比例的铝粉混合形成A-IX-II炸药[2-3]。近几年以A-IX-II炸药为主装药的一大批新型弹药陆续进入报废期。现阶段对于此类型废旧混合炸药依旧采用露天烧毁、炸毁或深层土壤掩埋等传统销毁方法进行处理[4-5]。传统方法处理废旧混合炸药一方面对生态环境带来巨大破坏，另一方面没有使混合炸药中的含能组分获得有效利用，造成资源浪费。

溶剂萃取法因其简单易操作、回收效率高等优点被广泛应用于混合炸药的分离，可以使其含能组分能量得到有效利用[6]。陈亚芳等[7]选用甲苯和丙酮作为溶剂在废旧梯黑铝炸药中提取出纯度较高的RDX，提取率可达90%；Kym B Arcuri等[8]设计出整套萃取分离设备，利用溶剂萃取法从B炸药中连续萃取出TNT与RDX。

溶剂萃取法的关键在于溶剂的选取，在进行萃取操作前需依据目标提取物在不同溶剂中的溶解度来决定萃取剂，因此溶解度的测定对于溶剂萃取法至关重要。本研究通过测定钝化RDX不同温度时在环己酮-丙酮二元混合溶剂中的溶解度，拟合出溶解度与温度的数学模型，为后续研究RDX在混合溶剂体系下的溶解特性及重结晶提供参考。

1 实验

1.1 材料与仪器

丙酮，分析纯，纯度为99.7%，沸点56.5℃(329.4K)，西安化学试剂厂；环己酮，分析纯，纯度99.5%，沸点155.6℃(428.7K)，西安化学试剂厂；废旧钝黑铝混合炸药，吉林三三零五机械厂，钝化RDX与Al质量比为80∶20。

ME204E 电子天平(精度±0.02mg)，上海梅特勒-托利多仪器有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，陕西奥新电子科技有限公司； EUROSTAR40型电子搅拌器，德国IKA 集团公司；SHB-III型循环水式真空泵，郑州长城科工贸有限公司；安全烘箱，南京理工大学机电总厂；三口结晶器(250mL)，西安近代化学研究所。

1.2 钝化RDX样品的制备

首先将废旧A-IX-II装药通过炸药粉碎机进行安全粉碎，获得钝黑铝炸药粉末。然后搭建图1所示的萃取试验装置，打开集热式恒温加热磁力搅拌器，将温度调节为50℃，通过计算将粉碎后的钝黑铝炸药粉末与丙酮溶剂按照一定物料配比加入带有回流冷凝管的三口结晶器中，打开电子搅拌器，将转速设定为120r/min，恒温搅拌，30min后停止搅拌，静置20min。然后将结晶器中的溶液倒入真空抽滤装置中进行过滤分离，将溶液蒸发结晶获得钝化RDX粉末。

图2所示的橙黄色粉末为回收的钝化RDX样品，样品中含有钝感剂，检测其成分主要为地蜡、硬脂酸及苏丹-III。

图1 萃取装置Fig.1 Extraction plant

图2 回收的钝化RDX粉末Fig.2 Recovered desensitized RDX powder

1.3 溶解度测定试验

量取环己酮与丙酮，按体积比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4配制4种环己酮-丙酮二元混合溶剂各90mL，将配制好的混合溶剂装入4个棕色瓶中备用。再用量筒分别称取90mL丙酮与环己酮装入两个棕色瓶中备用。用电子天平称取6等份质量为5g的钝化RDX样品备用。

试验分为6组，依次测定钝化RDX在环己酮、丙酮以及不同配比的环己酮-丙酮二元混合溶剂中的溶解度。由于6组试验的流程类似，因此选取测定RDX在环己酮中的溶解度来具体阐述，其他组试验均参照此试验流程进行。

首先将5g钝化RDX样品加入结晶器中，向结晶器中加入30mL环己酮，开启集热式恒温加热磁力搅拌器，将温度设定为50℃(323K)，转速调至20r/min，恒温搅拌30min。然后静置20min，观察固体颗粒部分溶解，溶液呈现淡黄色，用滴管量取5g左右的上层清液于烧杯中，利用电子天平称量烧杯和溶液的总质量并记录。将盛有饱和溶液的烧杯放置在安全型水浴烘箱中，温度设置为60℃，烘干2h后称量烧杯质量。

向结晶器中补充加入一定量的环己酮，然后把水浴温度依次降为40℃(313K)、30℃(303K)、20℃(293K)和10℃(283K)，重复以上步骤进行操作。

1.4 固液平衡模型

1.4.1 Apelblat 经验模型

Alexander Apelblat和 Emanuel Manzurola[9]在测定某种氨基酸在水中溶解度时利用最小二乘法拟合了Apelblat 经验公式，该模型表达式为：

lnS=a+b/T+clnT

(1)

式中：S为溶解度，g/100g；a、b、c为此模型的经验参数，a和b反映的是溶液活动系数的变化，c体现了温度对熔化焓的影响；T为绝对温度，K。

1.4.2 多项式经验模型

在实际工业应用中往往倾向于选择简单的固液平衡模型，本研究在拟合钝化RDX在混合溶剂体系下的溶解度与温度的关系时，选用多项式经验模型，当溶质与溶剂以及压力都一定时，溶解度只由温度决定。假设溶解度会随着温度的变化而连续变化，则多项式模型可以转化为以下形式[9]

S=aT2+bT+c

(2)

式中：S为溶解度，g/100g；a、b、c为此模型的经验参数；T为绝对温度，K。

1.5 溶解度的计算

本研究中干净烧杯质量为m1，装有溶液的烧杯质量为m2，经水浴烘箱烘干后烧杯的质量为m3，则废旧钝化RDX在100g溶剂中溶解度(S)的计算公式为[10]:

(3)

整理试验数据代入上述公式(3)中可获得钝化RDX在环己酮、丙酮以及按4种比例混合的环己酮-丙酮二元混合溶剂中的溶解度的实际测量值。

2 结果与讨论

2.1 溶解度数据分析

表1为实际测得的钝化RDX在环己酮、丙酮以及不同配比的环己酮-丙酮混合溶剂中的溶解度。

表1 钝化RDX在6种溶剂中溶解度的测量值Table 1 Measured values of the solubility of desensitized RDX in six kinds of solvents

由表1可以发现，钝化RDX在各溶剂中的溶解度随温度的升高呈现增长趋势。观察钝化RDX在丙酮和环己酮中的溶解度数据，在温度低于323K时，钝化RDX在丙酮中溶解度较大，温度升至323K时，钝化RDX在环己酮中溶解度较大。比较钝化RDX在4种混合溶剂中的溶解度，发现在环己酮含量高的混合溶剂中溶解度较大。比较6种溶剂的溶解度数据，当温度在303～323K温度区间内，钝化RDX在体积比为1∶1环己酮-丙酮混合溶剂中的溶解度远超其他5种溶剂。