Экспериментальное исследование раздельного существования фаз в двухфазных системах вода-сверхкритический углекислый газ

Сверхкритические флюидные технологии в настоящее время находятся в процессе бурного развития и распространения. Это обусловлено тем, что технологии химических производств, использующие токсичные и взрывоопасные реагенты, не выдерживают конкуренции с более эффективными и безвредными сверхкритическими флюидными технологиями. Cверхкритический флюид, как экстрагент, имеет ряд особенностей. По сравнению с обычным растворителем он характеризуется на 1-2 порядка более низкой вязкостью, на 2-3 порядка большим коэффициентом диффузии и меньшей плотностью. Это существенно (в несколько раз) сокращает время экстракции. Растворяющая способность сверхкритического флюида сильно зависит от температуры и давления, что позволяет обеспечить селективную экстракцию. Особое применение сверхкритические флюидные технологии получили в процессах переработки отработавшего ядерного топлива, отходов урановых производств и селективном извлечении актинидов. Несмотря на высокую степень экспериментальной проработки данной тематики, остаются невыясненными причины существенного увеличения экстракционной эффективности в двухфазных системах, состоящих из СК-СО₂ и малого (но не менее 0,3об%), количества дистиллированной воды.

Экспериментальное оборудование

Эксперименты по исследованию формирования капель воды в СК-СО₂ in situ проводились на установке СКФЭ-1. На выходе из реактора объемом 48,13 см³ была расположена оптическая ячейка высокого давления с сапфировыми окнами. Конструкция ячейки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Конструкция оптической ячейки высокого давления

Размеры капель воды в СК-СО₂ анализировались по дифракционным картинам, получаемым при пропускании красного или фиолетового лазерного излучения через оптическую ячейку высокого давления с сапфировыми окнами. Существование дифракционных картин при рассеянии лазерного излучения на каплях воды в СК-СО₂ обусловлено тем фактом, что показатели преломления воды и СК-СО₂ различны (как известно, дифракционные решетки образуются даже в прозрачной жидкости или газе, в которых показатель преломления изменяется возбужденными бегущими или стоячими ультразвуковыми волнами).

Методика эксперимента

Исследование дифракции лазерного излучения на каплях воды проводилось в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2. Ячейка устанавливалась в держателе перпендикулярно наружной поверхностью сапфирового окна к лазерному лучу на расстоянии от выходного окна лазера не менее 0,5 м. Экран был удален от ячейки на расстояние L = 3,3 м. По периметру экрана были расположены две взаимно перпендикулярные линейки с делениями 0,5 см, предназначенные для определения размеров элементов дифракционной картины.

Рисунок 2 – Схема образования дифракционных картин при рассеянии лазерного излучения на каплях воды: 1 – экран; 2 – сверхкритический флюид, СК-СО₂; 3 – металлический корпус ячейки; 4 – капля воды; 6 – источник лазерного излучения

В качестве источника лазерного излучения использовались лазерная указка на основе красного лазерного диода.

Растворимость воды в СК-СО₂

Весовым методом показано, что в исследуемом интервале давлений (от 7 до 17 МПа) при фиксированной температуре 40 °С мольная доля растворенной в СК-СО₂ воды практически постоянна.

Исследование стационарных дифракционных картин рассеяния лазерного излучения на двумерной решетке с квадратными ячейками

Для оценки размеров капель воды были получены и проанализированы стационарные дифракционные картины от круглой дифракционной решетки с квадратными ячейками для красного и фиолетового лазерного излучения (см. рис. 3).


a)		b)		c)

Рисунок 3 – Дифракционная картина от решетки с квадратными ячейками: a) качественная; b) для красного лазера; c) для фиолетового лазера. Для оценки размеров элементов дифракционной картины на этих рисунках и далее в левом нижнем углу приведен белый квадрата с длиной стороны 10,0 мм

Исследование дифракционных картин рассеяния лазерного излучения на каплях воды в СК-СО₂

Фильтровальная бумага, пропитанная 0,5 мл дистиллированной воды, помещалась в реактор установки. В соответствии с сертификатом качества диоксида углерода первоначальное содержание воды при нормальных условиях (давление 101,3 кПа, температура 20 °С) было менее 0,076 г/м³. Оценки показывают, что при давлениях до 16,0 МПа собственное содержание воды в диоксиде углерода было значительно меньше количества, размещенного на фильтровальной бумаге.

Находящийся в ячейке флюид с растворенной в нем водой просвечивался красным или фиолетовым лазером. Прошедшее через ячейку лазерное излучение направлялось на экран (см. рис. 2). Получаемая при определенном давлении изменяющаяся во времени (динамическая) дифракционная картина фиксировалась на видеокамеру в течение 5 мин. Созданный таким образом клип разбивался на отдельные кадры, представляющие собой статические дифракционные картины, которые затем анализировались для получения информации о размерах капель воды в СК-СО₂ (см. рис. 4 - 6).


a) 0,1 МПа. След на экране от красного лазера в отсутствие сверхкритического флюида в ячейке высокого давления		b) 8,0 МПа. На экране наблюдается интенсивное хаотическое движение светлых точек размером ∼3x2 мм (фиолетовый лазер ∼2x1 мм)

c) 10,0 МПа. На экране наблюдается хаотическое движение светлых точек размером ∼3x2мм (фиолетовый лазер ∼2x1мм)		d) 12,0 МПа. На экране наблюдается хаотическое движение светлых точек

e) 14,0 МПа. На экране наблюдается медленное движение светлых точек		f) 16,0 МПа. На экране движение практически отсутствует

Рисунок 4 – Фотоснимки дифракционных картин в различные моменты времени в интервале выдержки 5 мин для длины оптического пути в ячейке высокого давления 21,0 мм


a) 8,0 МПа. На экране наблюдается хаотическое движение светлых точек размером ∼3x2мм (фиолетовый лазер ∼2x1мм)		b) 10,0 МПа. На экране движение светлых пятен отсутствует

Рисунок 5 – Фотоснимки дифракционных картин в различные моменты времени в интервале выдержки 5 мин для длины оптического пути в ячейке высокого давления 6,0 мм


a) 12,0 МПа. На экране при напуске диоксида углерода движение светлых пятен отсутствует		b) 12,0 МПа. На экране при сбросе давления наблюдается небольшое равномерное движение светлых пятен

Рисунок 6 – Фотоснимки дифракционных картин в различные моменты времени в интервале выдержки 5 мин для длины оптического пути в ячейке высокого давления 0,1 мм

Изображение дифракционной картины на экране, как правило, представляет собой медленно движущиеся светлые пятна для красного лазера, и светлое круглое пятно с мерцающими точками на нем для фиолетового лазера. Наличие одного пятна в последнем случае объясняется тем, что длина волны лазера фиолетового меньше, чем для красного, и поэтому светлые пятна на экране от фиолетового лазера сливаются в одно пятно. Поэтому в экспериментах по получению дифракционных картин использовался свет красного лазера.

Исследование дифракционных картин рассеяния лазерного излучения на двумерной решетке с квадратными ячейками показало соответствие экспериментальных результатов теоретическим представлениям.

Анализ дифракционных картин рассеяния лазерного излучения на каплях воды в СК-СО₂, а также оптическая микроскопия при давлении 10,0 МПа и температуре 40 °С определяют величину среднего диаметра капель воды величиной 55±3 мкм.