探头式在线红外测量反应转化率实例
在线红外测量反应转化率实例
一、实验部分
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采用仪器为ATR-FTIR,测量反应为苯乙烯单体合成聚苯乙烯。
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具体实验流程:
2.1 反应原理
图 1 苯乙烯制备聚苯乙烯反应原理
2.2 实验方法
在三口烧瓶中放入150g无水乙醇作为反应溶剂,加入一定量的苯乙烯单体,在70℃下氨气保护一定时间后加入引发剂AIBN,反应4-5h,反应过程中用在线红外实时监测吸光度变化。反应最终得到的产物为聚苯乙烯。
二、在线红外建模过程
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采空气背景
图 2 聚苯乙烯合成过程红外空气背景峰
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标定一系列浓度梯度
本实验选取了m(苯乙烯):m(乙醇)=0:150;5:150;10:150;20:150;30:150;40:150;50:150;一共7个梯度。得到不同浓度下的全谱如下图:
图 3 苯乙烯在乙醇溶剂中的吸收峰全谱
选择部分图谱为特征峰,本实验选取C=C双键特征峰,波数为1633.82cm-1,图谱如下:
图 4 不同浓度及聚合实验里苯乙烯C=C双键在乙醇溶剂中的吸收峰
可以明显看到,随着苯乙烯浓度的变化,C=C双键的峰值有了明显的变化。
三、转化率的计算方法
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采用吸光度值变化为依据的计算方法:
随着反应的进行,体系中C=C的吸光度值逐渐减小;采用公式
计算转化率,其中A0代表t=0时刻的C=C双键吸收峰峰高值,At代表t时刻C=C双键吸收峰峰高值。由于只选取一个特征峰峰高值计算,误差相对较大。
对于本实验:特征峰选取为C=C吸收峰,波数为1633.82cm-1;
A0=0.035442;
At=0.024972(反应最终时刻吸光度值);
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采用浓度变化为依据的计算方法:
经过PLS建模后,可以选取一个或多个峰值进行标定建模,从而得到不同反应时候对应的反应物浓度值。随着反应的进行,体系中C=C的浓度值逐渐减小;可以利用公式
实验测量的实时浓度变化如下图:
图 5 实验数据采集及实时浓度显示
该实验所建模型的R2=0.99976,具体如下图所示:
图 6 聚苯乙烯合成实验浓度预测模型的R2数据
对于本实验,由该模型测得的数据为:
C0=0.3426g(苯乙烯)/g(乙醇)=0.2552g(苯乙烯)/g(溶液);
Ct(反应最终时刻浓度值)=0.2599g(苯乙烯)/g(乙醇)=0.2063g(苯乙烯)/g(溶液);

=25.94%
计算反应转化率,该方法较为复杂,但是准确率较高。
=19.16%