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探头式在线红外测量反应转化率实例

日期:2026-01-28 00:51
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摘要:探头式在线红外光谱仪优化实例结晶过程是一个多相多组分的相变过程,目前被广泛用于制药、生物制药、工业添加剂等专用化学品的生产过程。随着在线过程分析技术的发展,目前对结晶的认识和理解有了明显提高。

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);

=25.94%

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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;可以利用公式计算反应转化率,该方法较为复杂,但是准确率较高。

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);

=19.16%