В прогнозах по развитию альтернативных источников энергии биотопливу отводят одно из ключевых мест. Возможность перерабатывать органические отходы в спирты или биодизель очень привлекательна, но процесс производства и очистки биотоплива основан на сложных и не до конца изученных химических реакциях. Чтобы в будущем производство биотоплива было эффективным и безопасным, необходимо закрыть «белые пятна» — детально изучить химию и физику его синтеза.
В исследовании, проведенном на кафедре химической термодинамики и кинетики СПбГУ под руководством доцента Марии Тойкка, получение биотоплива изучалось на модельной системе из четырех жидких компонентов: уксусная кислота – амиловый спирт – амилацетат – вода. Основная задача исследования состояла в том, чтобы, во-первых, определить, из чего состоит каждый компонент системы в тот момент, когда они находятся в равновесии. Несмотря на то, что между компонентами существует четкая граница, температура и давление в них одинаковы и стабильны. А во-вторых, чтобы понять границы расслаивания смеси, необходимо было определить, как растворяются компоненты в этой системе.
Ученые наблюдали за модельной системой при температуре в 303,15 К (30 °С) и нормальном атмосферном давлении. Заданные условия поддерживались в специально сконструированной термостатируемой ячейке. В отличие от стандартных приборов для поддержания температуры, эта установка была изготовлена из прозрачного стекла в стеклодувной мастерской Института химии СПбГУ. Сквозь стекло исследователи отслеживали, как смесь расслаивается. При этом образовывалась вторая жидкая фаза, содержащая те же компоненты, но в других концентрациях.
Изменения в составе смеси фиксировали с помощью метода газовой хроматографии. Для этого пробу жидкости специальным шприцем вводили в испаритель хроматографа. Получившийся пар вместе с потоком инертного газа-носителя поступал в хроматографическую колонку – узкий сосуд с подобранным специально для анализируемой смеси поглощающим твердым веществом-сорбентом. Благодаря сорбенту пар разделялся на составляющие вещества, и отдельные компоненты «выходили» из колонки в разное время. На выходе детектор по теплопроводности фиксировал каждый компонент электрическим сигналом. Сигнал преобразовывался в пик на итоговой хроматограмме: чем выше концентрация вещества, тем сильнее сигнал, больше высота и площадь пика. По уровню пиков определялось количество «пойманных» веществ в пробе.
Фото: о достижении критического состояния свидетельствует, в частности, усиление рассеяния света в растворе, или опалесценция. На фотографии — голубая опалесценция смеси уксусной кислоты, амилового спирта, амилацетата и воды. Источник: Мария Тойкка.
Ученых интересовало, при каких концентрациях компонентов в смеси «уксусная кислота – амиловый спирт – амилацетат – вода» достигаются так называемые критические точки.
«Критические точки — это предельные точки на кривых растворимости. Когда состояние системы приближается к ним, фазовое равновесие нарушается, и система теряет термодинамическую устойчивость: увеличиваются сжимаемость вещества, то есть его способность менять объем, и рассеяние света, замедляются химические реакции. Важно знать, при каком составе система достигает критических точек, чтобы прогнозировать изменение ее характеристик», — поясняет руководитель работы Мария Тойкка.
Исследователи получили достаточно данных для термодинамической модели, которая предсказывает поведение системы «уксусная кислота – амиловый спирт – амилацетат – вода» при разных составах. Следующий этап работы — эксперименты со смесями из других компонентов. В конечном итоге обобщенные данные станут основой для новых способов получения биотоплива.
У работы есть и фундаментальное теоретическое значение. Современная термодинамическая теория растворов базируется на правилах, сформулированных еще классиками отечественной химии, например, на законах Коновалова и Вревского. Эксперименты с системами, моделирующими процессы производства биотоплива, дадут возможность модифицировать эти правила для случая химического равновесия и химически неравновесных систем. На своих лекциях Мария Тойкка уже знакомит студентов Института химии СПбГУ с уточненными моделями.
