Кинетика химических реакций в спрее

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С расширением области применения спрей-технологии возросло количество наблюдений, демонстрирующих существенное влияние размеров капель на кинетику химических процессов. В рамках формальной химической кинетики сформулированы уравнения, связывающие концентрации реагентов, объем капель, исходный состав раствора, состав газовой среды и скорость процессов. На примере реакций второго порядка (соединения, обмена, конденсации, полимеризации, поликонденсации) показано, что размерные кинетические эффекты возникают, когда химические процессы сопровождаются изменением равновесных с газовой средой размеров капель. Приведены результаты компьютерного моделирования реакции конденсации и процесса поликонденсации, воспроизводящие размерные эффекты. Кинетические кривые, полученные при моделировании процесса поликонденсации, сопоставлены с экспериментальными данными.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Б. Федосеев

ФГБУН Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vbfedoseev@yandex.ru
Россия, ул. Тропинина, 49, Нижний Новгород, 603137

Е. Н. Федосеева

ФГАОУ ВО Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: vbfedoseev@yandex.ru
Россия, просп. Гагарина, 23, корп. 5, Нижний Новгород, 603022

Список литературы

  1. Leng J., Wang Z., Wang J., Wu H.H., Yan G., Li X., Guo H., Liu Y., Zhang Q., Guo Z. // Chem. Soc. Rev. Royal Society of Chemistry. 2019. V. 48. № 11. P. 3015. https://doi.org/10.1039/c8cs00904j
  2. Łatka L., Pawłowski L., Winnicki M., Sokołowski P., Małachowska A., Kozerski S. // Appl. Sci. 2020. V. 10. № 15. https://doi.org/10.3390/app10155153
  3. Raula J., Eerikäinen H., Lähde A., Kauppinen E.I. // Nanoparticulate Drug Delivery System. 2007. № 7. P. 111. https://doi.org/10.1201/9781420008449-8
  4. Bernard F., Fedioun I., Peyroux F., Quilgars A., Daële V., Mellouki A. // J. Aerosol Sci. 2012. V. 43. № 1. P. 14. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2011.08.005
  5. Akgün E., Hubbuch J., Wörner M. // Macromol. Mater. Eng. 2014. V. 299. № 11. P. 1316. https://doi.org/10.1002/mame.201400032
  6. Suvarli N., Perner-Nochta I., Hubbuch J., Wörner M. // Polymers (Basel). 2021. V. 13. № 24. P. 4363. https://doi.org/10.3390/polym13244363
  7. Reinhold M., Horst C., Hoffmann U. // Chem. Eng. Sci. 2001. V. 56. № 4. P. 1657. https://doi.org/10.1016/S0009-2509(00)00394-8
  8. Glavas L., Odelius K., Albertsson A.C. // Biomacromol. Am. Chem. Soc. 2016. V. 17. № 9. P. 2930. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.6b00747
  9. Murray B.J., Bertram A.K. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2006. V. 8. № 1. P. 186. https://doi.org/10.1039/b513480c
  10. Федосеев В.Б., Федосеева Е.Н. // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 97. № 7. С. 473. 10.7868/S0370274X13070072 (Fedoseev V.B., Fedoseeva E.N. // JETP Lett. 2013. V. 97. № 7. P. 408). https://doi.org/10.1134/S0021364013070059
  11. Lee J.K., Walker K.L., Han H.S., Kang J., Prinz F.B., Waymouth R.M., Nam H.G., Zare R.N. // Proc. Natl. Acad. Sci. 2019. V. 116. № 39. P. 19294. https://doi.org/10.1073/pnas.1911883116
  12. Федосеев В.Б., Федосеева Е.Н. // Конденсированные среды и межфазные границы. 2022. № 24(1). С. 101. 10.17308/kcmf.2022.24/9060 (Fedoseev V.V., Fedoseeva E.N. // Condensed Matter and Interphases. 2022. V. 24. № 1. P. 101). https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9060
  13. Chen P., Ye N., He C., Tang L., Li S., Sun L., Li Y. // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 2. P. 228. https://doi.org/10.3390/app9020228
  14. Partch R.E., Nakamura K., Wolfe K.J., Matijević E.// J. Colloid Interface Sci. 1985. V. 105. № 2. P. 560. https://doi.org/10.1016/0021-9797(85)90331-5
  15. Arias V., Odelius K., Albertsson A.C. // Macromol. Rapid Commun. 2014. V. 35. № 22. P. 1949. https://doi.org/10.1002/marc.201400374
  16. Petranović Z., Edelbauer W., Vujanović M., Duić N. // Fuel. 2017. V. 191. P. 25. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.11.051
  17. Roelofs F., Vogelsberger W., Buntkowsky G. // Zeitschrift fur Phys. Chemie. 2008. V. 222. № 8–9. P. 1131. https://doi.org/10.1524/zpch.2008.5393
  18. Cui Z., Xue Y., Xiao L., Wang, T. // J. Comput. Theor. Nanosci. 2013. V. 10. № 3. P. 569. https://doi.org/10.1166/jctn.2013.2735
  19. Xue Y., Wang X., Cui Z. // Prog. React. Kinet. Mech. 2011. V. 36. № 4. P. 329. https://doi.org/10.3184/146867811X13103063934186
  20. Стрижак П.Е., Трипольский, А.И., Космамбетова Г.Р., Диденко О.З., Гурник Т.Н. // Кинетика и катализ. 2011. Т. 52. № 1. С. 131. (Strizhak P.E., Trypolskyi A.I., Kosmambetova G.R., Didenko O.Z., Gurnyk T.N. // Kinet. Catal. 2011. V. 52. № 1. P. 128. https://doi.org/10.1134/S0023158411010186)
  21. Шишулин А.В., Федосеев В.Б. // Кинетика и катализ. 2019. Т. 60. № 3. С. 334. 10.1134/S0453881119030134 (Shishulin A.V., Fedoseev V.B. // Kinet. Catal. 2019. V. 60. № 3. P. 315. https://doi.org/10.1134/S0023158419030121)
  22. Corral Arroyo P., David G., Alpert P.A., Parmentier E.A., Ammann M., Signorell R. // Science (New York). 2022. V. 376. № 6590. P. 293. https://doi.org/10.1126/science.abm7915
  23. Qiu J., Ishizuka S., Tonokura K., Colussi A.J., Enami S. // J. Phys. Chem. Lett. 2019. V. 10. № 19. P. 5748. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01953
  24. Ермаков А.Н. // Кинетика и катализ. 2023. Т. 64. № 1. С. 86. 10.31857/S045388112301001X (Yermakov А.N. // Kinetics and Catalysis. 2023. V. 64. № 1. P. 74. https://doi.org/10.1134/S0023158423010019)
  25. Wei Z., Li, Y., Cooks R.G., Yan X. // Annu. Rev. Phys. Chem. 2020. V. 71. P. 31. https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-121319-110654
  26. Raula J., Eerikäinen H., Kauppinen E.I. // Int. J. Pharm. 2004. V. 284. № 1–2. P. 13. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2004.07.003
  27. Roshchin D.E., Patlazhan S.A., Berlin A.A. // Eur. Polym. J. 2023. P. 112002. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.112002
  28. Федосеев В.Б. // Письма в журнал технической физики. 2023. Т. 49. № 8. С. 32. 10.21883/PJTF.2023.08.55135.19469 (Fedoseev V.B. // Tech. Phys. Lett. 2023. V. 49. № 4. P. 71). https://doi.org/10.21883/TPL.2023.04.55884.19469
  29. Русанов А.И. // Коллоидный журнал. 2012. Т. 74. № 2. С. 148. (Rusanov, A.I. // Colloid J. 2012. V. 74. № 2. P. 136). https://doi.org/10.1134/S1061933X1202010X
  30. Федосеев В.Б., Федосеева Е.Н. // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 5. С. 1154. (Fedoseev V.B., Fedoseeva E.N. // J. Eng. Phys. Thermophys. 2020. V. 93. № 5. P. 1116). https://doi.org/10.1007/s10891-020-02212-6
  31. Федосеев В.Б., Федосеева Е.Н. // Инженерно-физический журнал. 2019. Т. 92. № 5. С. 2229. (Fedoseev, V.B., Fedoseeva E.N. // J. Eng. Phys. Thermophys. 2019. V. 92. № 5. P. 1191). https://doi.org/10.1007/s10891-019-02033-2
  32. Франк-Каменецкий Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Долгопрудный: Издательский Дом “Интеллект”, 2008. 408 с.
  33. Marin A., Karpitschka S., Noguera-Marín D., Cabrerizo-Vílchez M.A., Rossi M., Kähler C.J., Rodríguez Valverde M.A. // Phys. Rev. Fluids. 2019. V. 4. № 4. P. 041601. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.041601
  34. Zaveri R.A., Easter R.C., Shilling J.E., Seinfeld, J.H. // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14. № 10. P. 5153. https://doi.org/10.5194/acp-14-5153-2014
  35. Säckel W., Nieken U. // Macromol. Symp. 2013. V. 333. № 1. P. 297. https://doi.org/10.1002/masy.201300058
  36. Fisenko S.P., Wang W., Wuled Lenggoro I., Okyuama K. // Chem. Eng. Sci. 2006. V. 61. № 18. P. 6029. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.05.028
  37. Федосеев В.Б. // Вестник ННГУ. 2000. № 1. С. 146.
  38. Эндрюс Г. Теория разбиений. Москва: Наука, 1982. 256 с.
  39. Емельяненко В.Н., Веревкин С.П., Шик К., Степурко Е.Н., Роганов Г.Н., Георгиева М.К. // Журнал физической химии. 2010. Т. 84. № 9. С. 1638. (Emel'yanenko V.N., Verevkin S.P., Schick C., Stepurko E.N., Roganov G.N., Georgieva M.K. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2010. V. 84. № 9. P. 1491). https://doi.org/10.1134/S0036024410090074
  40. Федосеев В.Б., Федосеева Е.Н. // Инженерно-физический журнал. 2023. Т. 96, № 5. С. 1204. (Fedoseev V.B., Fedoseeva E.N. // J. Eng. Phys. Thermophys. 2023. V. 96. № 5. P. 1196). https://doi.org/10.1007/s10891-023-02785-y
  41. Harshe Y.M., Storti G., Morbidelli M., Gelosa S., Moscatelli D. // Macromol. React. Eng. 2007. V. 1. № 6. P. 611. https://doi.org/10.1002/mren.200700019
  42. Kim K.W., Woo S.I. // Macromol. Chem. Phys. 2002. V. 203. № 15. P. 2245. https://doi.org/10.1002/1521-3935(200211)203:15<2245::AID-MACP2245>3.0.CO;2-3
  43. Ren J. // Biodegradable Poly(Lactic Acid): Synthesis, Modification, Processing and Applications. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2010. P. 15.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Результаты моделирования динамики поликонденсации молочной кислоты в каплях с радиусом, мкм: 27 (1), 58 (2), 125 (3), 270 (4), 582 (5). Стрелка указывает положение максимума на кривой 5.

Скачать (89KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение скорости контракции при высыхании сидячих капель раствора молочной кислоты в процессе поликонденсации с радиусом, мкм: 2 (1), 10 (2), 14 (3), 30 (4).

Скачать (89KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Теоретическая и экспериментальная (пунктир) оценки времени достижения максимума скорости поликонденсации в зависимости от радиуса капли. Теоретическая зависимость нормирована по капле радиусом 30 мкм (окружность).

Скачать (126KB)
Метаданные