正庚烷+异丙醇+溶剂三元体系液液相平衡数据测定与关联1

杨冲，成林辉，肖业鹏，程丽华，欧阳新平，2

(1.广东石油化工学院 化学工程学院，广东省石油化工腐蚀与安全工程技术研究中心，劣质油加工广东省普通高校重点实验室，广东 茂名 525000；2.华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州 510640)

正庚烷与异丙醇的混合物对多种有机物具有良好的溶解能力，广泛用作萃取剂、溶剂和色谱的流动相。在化工行业中会产生大量正庚烷和异丙醇的混合废液，高纯度正庚烷和异丙醇的分离回收，不仅能减少环境污染，而且能获得良好的经济效益。精馏是液体混合物最常用的分离技术之一，由于在常压下，正庚烷和异丙醇会形成共沸物[1]，因此无法利用传统的精馏方法对其进行有效分离。

溶剂萃取技术因其操作简单、能耗低、成本低等优点，广泛应用于共沸物和近沸混合物的分离以及高附加值物质的回收或有毒有害物质的去除。选择合适的萃取剂是溶剂萃取分离正庚烷和异丙醇的关键。Nagata[2]测定了正庚烷+异丙醇+乙腈三元混合物的液液相平衡数据，并利用Extended UNIQUAC和UNIQUAC热力学模型关联实验数据。Xu等[3]选择[Hmim][BF4]和[Hmim][NTf2]作为萃取剂，在常压、298.15 K条件下测定了正庚烷+异丙醇+[Hmim][BF4]和正庚烷+异丙醇+[Hmim][NTf2]三元体系的液液相平衡数据，同时研究了离子液体阴离子对萃取性能的影响。

为了探究更多萃取剂萃取分离正庚烷-异丙醇混合物的能力，本文以乙二醇、1,4-丁二醇和二甲基亚砜为萃取剂，在常压、303.15 K条件下测定了正庚烷+异丙醇+溶剂三元体系的液液相平衡数据，并且利用分配系数D和分离因子S评价溶剂萃取分离性能，采用Bachman方程和Hand方程验证液液相平衡数据的可靠性。此外，利用NRTL和UNIQUAC热力学模型对实验数据进行关联，得到二元交互作用参数。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

仪器：液液相平衡釜(江苏省盐城市芦北玻璃厂生产)；恒温循环水浴(DC-3010，上海比朗仪器制造有限公司)；磁力搅拌器(FK-2A，腾科科学仪器有限公司)；气相色谱仪(GC9790，浙江福立分析仪器有限公司)。试剂：本研究使用的化学试剂见表1。异丙醇、乙二醇、1,4-丁二醇和二甲基亚砜由中国国药化学试剂有限公司提供，正庚烷购自上海阿拉丁生化科技有限公司，乙醇购自广州东红实业发展有限公司，所有化学试剂在使用前都没有进一步处理。

表1 实验试剂及参数名称CAS号质量纯度/%rq正庚烷142-82-5>99.05.17404.3960异丙醇67-63-0≥99.72.91372.5276乙二醇107-21-1≥99.02.40872.24801,4-丁二醇110-63-4≥99.03.75743.3280二甲基亚砜67-68-5≥99.02.82662.4720乙醇64-17-5≥99.7 注:表中r和q值为UNIQUAC模型的分子体积和面积参数,来源于Aspen Plus数据库。

1.2 过程和分析方法

正庚烷+异丙醇+溶剂三元体系实验数据测定方法如下[4,5]：将正庚烷、异丙醇和溶剂添加到100 mL液液相平衡釜中，通过恒温循环水浴调节平衡釜的温度为303.15 K，用磁力搅拌器将混合物剧烈搅拌1 h，然后静置至少5 h，使用气相色谱仪检测分析，选用热导检测器、Porapak Q柱，用高纯氢气(99.999%)作为载气，进样口和检测器温度设为473.15 K，柱箱初温为373.15 K，恒温60 s，然后以20 K/min的速率升温至493.15 K，恒温90 s。以无水乙醇为校准物，采用校准面积归一化法得到实验数据，每个样品分析3次，取其平均值作为实验结果

1.3 溶剂萃取性能评价

2 结果与讨论

2.1 实验结果分析

常压、303.15 K下，正庚烷+异丙醇+溶剂三元体系的液液相平衡数据见表2，并绘制在图1～3中。

表2 在303.15 K和101.3 kPa下，正庚烷(1)+异丙醇(2)+溶剂(3)三元体系的液液相平衡数据

如表2所示，萃取相中异丙醇的物质的量分数远高于萃余相中异丙醇的物质的量分数，分配系数在3.80～19.36之间变化。如图1～3所示，所有连接线的斜率均为负值，表明异丙醇在溶剂中的溶解度高于在正庚烷中的溶解度。同时，进料组成点和两端相平衡点符合杠杆定律，表明实验数据具有较高的准确性。

图1 正庚烷+异丙醇+乙二醇体系 图2 正庚烷+异丙醇+1,4-丁二醇体系 图3 正庚烷+异丙醇+二甲基亚砜体系

此外，从表2还可以看出，分离因子S明显大于1，并且在30.75～3448.55之间变化，说明使用乙二醇、1,4-丁二醇和二甲基亚砜从正庚烷中分离异丙醇是可行的。图4是分离因子随萃取相中异丙醇含量变化图，可以看出用乙二醇、1,4-丁二醇和二甲基亚砜作为萃取剂的分离因子大于乙腈[2]、[Hmim][BF4]和[Hmim][NTf2][3]，并且乙二醇作为萃取剂的分离因子最大。

图4 分离因子与萃取相中异丙醇物质的量分数的关系

2.2 实验数据可靠性验证

表3 Bachman方程和Hand方程拟合参数和关联指数

图5 正庚烷+异丙醇+溶剂体系的Bachman方程曲线 图6 正庚烷+异丙醇+溶剂体系的Hand方程曲线

2.3 实验数据的关联

利用NRTL和UNIQUAC热力学模型对实验数据进行关联，如下所示。

对于NRTL模型：

对于UNIQUAC模型：

优化的二元交互作用参数和RMSD值如表4所示。由表4可以发现对于UNIQUAC模型，RMSD值均大于1；对于NRTL模型，RMSD值均小于1，并且正庚烷+异丙醇+乙二醇三元体系的RMSD值最小，表明其关联计算结果更精确。同时，将NRTL模型关联的计算结果描绘在图1～3中，可以看出，计算结果与实验数据吻合良好。基于以上分析，表明使用NRTL模型关联计算的结果与实验数据具有良好的一致性，可以为所研究的体系提供良好的关联。

3 结论

本研究工作在常压、303.15 K条件下，测定了正庚烷+异丙醇+溶剂三元体系的液液相平衡数据，得到如下结论：(1)进料组成点和两端的相平衡点符合杠杆定律，并且Bachman方程和Hand方程的关联指数在0.97以上，说明实验数据准确、可靠。(2)异丙醇在溶剂中的溶解度高于正庚烷，且分离因子均大于1，说明选用的萃取剂是可行的，其中乙二醇作萃取剂时表现出最高的分离因子。(3)NRTL模型关联计算的结果与实验数据的RMSD值小于1，能够为所研究的体系提供有效关联。