醇体系合成过程

近年来，科研高校实验室在生物医药、新能源和新材料等领域不断取得进展。在这些领域中，很多化学反应对实验过程中的水分和氧含量要求十分严格，比如 Buchwald-Hartwig 偶联反应；也有一些化合物和试剂对空气中的水分和氧气极为敏感。科研工作者为了能够高效的开展研究，必须借助特殊的设备和技术来进行无水无氧操作。如果操作不当，即便反应路径和条件设计得当，也可能无法得到期望的产物。因此，无水无氧技术在科学研究中占据了重要位置，已经得到了广泛应用。目前，无水无氧操作主要有以下三种方法：高真空线操作（Vacuum-line）：适用于对无水无氧条件要求不是很高的体系，通过直接用惰性气体置换反应体系中的空气，这种方法简单实用，适用于多种常规反应，是最常见的保护方式。Schlenk 线操作：在需要进行无水无氧的回流、蒸馏和过滤等操作时，使用 Schlenk 线技术较为便捷。手套箱操作（Glove-box）：对于需要称量、物料转移、稀释和过滤等更为复杂的操作体系，通常在充满惰性气体的手套箱中进行。手套箱已在科研实验室中被应用在有机合成、OLED 封装、锂电池制作与研究、对水氧敏感的试剂的存储与分装以及生物领域如厌氧菌培养、细胞低氧培养等方面[1] 。XmartChem® 智能合成工作站（手套箱工站）晶泰科技将自动化技术与手套箱有机结合，研发的机器人工作站系列——XmartChem® 智能合成工作站（手套箱工站），自动完成合成实验中投料、反应、产物稀释、过滤全过程，实现无水无氧操作体系下化学合成实验操作流程自动化，专门为化学人员研发的软件系统 ，直观易用。突破高通量合成筛选的瓶颈，降低操作门槛，提高实验的效率和安全性，增加科学研究产出。● 产品特点&bull 无水无氧操作体系：具备高效的气体净化系统，O2 & H2O &bull 高通量全自动：自动化完成合成实验中投料、反应、产物稀释、过滤全过程，突破高通量合成筛选的瓶颈，降低操作门槛，提质增效；&bull 人机协作 ：系统高效稳定，7×24 小时不间断安全运行；&bull 信息溯源：支持条码扫码，样品信息可溯源；&bull 可视化软件系统：触屏式操作界面，轻松访问资源、方法、任务及数据等功能信息；资源配置界面与设备内部布局完全一致，操作方式直观，充分降低学习成本，易于使用；&bull 简化工作流程：可直接创建或调用模板实验设计流程方法，轻松设定参数，节约时间；支持批量实验参数导入，简化操作；&bull 用户权限设定：软件系统支持划分用户权限，维护实验方法、数据安全；&bull 完整数据记录：实时自动采集反应条件、实验控制以及数据，确保完整实验流程可追溯；&bull 数字化平台：支持接入 LIMS 系统，并兼容晶泰数字化软件（ELN、数字孪生仿真系统等）；&bull 立体仓储物料架：多层自动化控制，适用于多种物料存放；&bull 人工操作位设计：惰性气体手套箱一机多用，用于敏感试剂的人工备料和存储；自动物料架，实验过程中按需补料；&bull 开放集成：支持多种第三方设备如 LC-MS 等集成到工作站，实现产物的快速鉴定；● 工作流程参考文献[1]郑杰，张福平，李玉佳. 无水无氧手套箱在实验室安全运行与管理中的探索与实践[J]. 大学化学，2023，38（10）：300-305.

甲醇合成的原料主要是气化煤气、焦炉煤气、天然气等，经过净化(变换,脱硫,脱碳)，然后调整其压力进合成塔,出来后冷却,然后在经过醇分进精馏塔提纯。在线分析仪器的主要用量在煤气化工段，而对于净化和合成工段所使用的仪器数量较少。针对相同制煤气工艺而言，甲醇工艺所需要的分析仪器数量要少于合成氨工艺。煤气化技术是发展煤基化学品(如甲醇,氨、二甲醚),煤基液体燃料,先进的IGCC发电技术,多联产系统,制氢,燃料电池,直接还原炼铁等过程工业的基础,是这些行业的共性技术,关键技术和龙头技术,可以说是工业领域许多行业发展的“引擎”。航天炉煤气化工艺主要技术路线:干煤粉作原料,采用激冷流程,主要特点是技术先进,具有较高的热效率(可达95%),碳转化率高(可达99%) 气化炉为水冷壁结构结构,气化温度能到1500-1700℃的高温 对煤种要求低,可实现原料本地化 拥有自主知识产权 关键设备全部国产化,投资少,生产成本低。（图源网络，侵删）不同的设计院、以上数据有差异

研究背景泡沫是一种气体分散于液体中的分散体系。通常，纯的液体是不会起泡的。泡沫产生的条件有两个：需要气体和液体充分接触，并使气体分散于液体中；还需要气泡产生的速度明显大于消泡的速度，使得气泡可以聚集成泡沫，行之有效的办法是在液体中加入表面活性剂。对于表面活性剂水基泡沫人们已经做了大量的研究，然而近年来水-低碳醇体系也有着较为广泛的应用， 例如化学清洗、制备多孔材料、杀菌洗手液等。因此，本文着重对FC-7160在乙醇-水溶液和水溶液中的泡沫行为，尤其是泡沫形成后的排液行为、结构变化、表面弹性等，为其以后的实际应用提供理论指导。实验仪器DFA100动态泡沫分析仪、DSA100液滴形状分析仪，德国KRÜSS公司。DFA100动态泡沫分析仪DSA100液滴形状分析仪实验结果与讨论2.1 泡沫高度衰减曲线起泡性和稳定性是表面活性剂溶液泡沫行为中最重要的特征。为了与碳氢表面活性剂对比，本实验选择了阴离子表面活性剂AES-3、非离子表面活性剂AEO-9、两性离子表面活性剂CAB。由图1a可以看出，在水溶液体系中， 实验中所用的碳氢表面活性剂的起泡性和泡沫的稳定性都优于FC-7160，FC-7160的泡沫甚至没有经历tend这个时间段，起泡后立即伴随着泡沫的崩塌。而在50%乙醇-水溶液体系中，如图1b所示，只有FC-7160可以形成泡沫，碳氢表面活性剂的“泡沫”在停止通气后很短的时间内完全消失，不能形成有效的泡沫。 图1 1 g/L不同表面活性剂的泡沫高度随时间的变化：水溶液（a）；50%乙醇-水溶液（b）2.2 泡沫的结构与尺寸分布通过动态泡沫仪的结构分析模块，对泡沫中气泡的大小分布和其随时间的变化进行了精细的测量。在图2a中，在50%乙醇-水溶液中，泡沫中的气泡大小均一且近乎圆形，而在水溶液中气泡大小不一，呈现出多边形的结构。在图2b中，在前10 min内，50%乙醇- 水溶液中的气泡面积主要集中在0~0.5 mm2，没有超过1 mm2的气泡，气泡从产生到消失面积都较小；而在水溶液中气泡面积分布较宽，在1 min时，水溶液中的气泡面积就可以达到1~2 mm2。在乙醇的存在下，FC-7160泡沫中的气体扩散过程受到了限制，聚并过程和熟化过程都较慢，气泡较小且均一。图 2 1，5和10 min时（从上到下）1 g/L的FC-7160在50%乙醇-水溶液（左）和水溶液（右）中的泡沫结构图（a）；与a相对应的气泡尺寸分布直方图（b）2.3 泡沫的排液过程泡沫的稳定性主要取决于排液快慢和液膜的强度， 排液速度越慢，液壁可以保持一定厚度，泡沫也越稳定。在50%乙醇-水混合体系中，泡沫携带有乙醇和水两种组分，所以排液行为显得更为重要。在水溶液中， FC-7160的泡沫排液过程较短且非常混乱（图3a），所以在水溶液中的泡沫稳定性也较差。在50%乙醇-水溶液中（图3b），FC-7160的排液时间有所延长，泡沫中的液体含量明显高于水溶液中。在乙醇的存在下，由于FC-7160与乙醇分子之间的作用使得液体更容易携带，不易流失，所以泡沫液体含量较大且排液时间延长。图 3 1 g/L的FC-7160在水溶液中（a）和在50%乙醇-水溶液中（b）泡沫液体含量随时间变化2.4 液膜的界面黏弹性表面活性剂在气-液界面的吸附不仅可以降低体系的表面张力，而且也可以使得界面具有黏弹性。当泡沫受到扰动表面积增加时，液膜局面会变薄，变薄处的表面活性剂分子浓度降低，表面活性剂浓度差异导致液膜中产生了表面张力梯度。没有变薄处的表面活性剂分子会迁移到局部变薄处。在这个迁移过程中，液体也会随着表面活性剂分子迁移，液膜厚度和膜的强度也得以恢复，这就是膜的弹性。液膜弹性越大，抵抗外界干扰的能力越强，泡沫也越稳定。界面扩张流变可以反映液膜弹性，界面扩张模量的大小在数学上分为弹性和黏性分量，如E*=E'+iE''所示，其中E*为复合模量，E'为弹性模量，E''为黏性模量。根据文献［19,20］中报道，E*和泡沫稳定性有密切的关系，E*值越大，泡沫越稳定；而弹性模量E'和泡沫的排液行为相关，其大小依赖于tdev的值。从图4中可以看出，这些表面活性剂的E*大小关系为：FC-7160AES-3AEO-9，这和它们在50%乙醇-水溶液中的泡沫稳定性是一致的。对于AES-3和AEO-9， 它们的界面扩张模量几乎为0 mN/m，说明它们在50% 乙醇-水溶液中形成的液膜几乎没有弹性，所以气泡在产生之后立即消失不能形成泡沫。图 4 1 g/L不同表面活性剂在50%乙醇-水溶液中的界面扩张模量E*、弹性模量E'、黏性模量E''结论对有机硅表面活性剂FC-7160和几种典型的碳氢表面活性剂在50%乙醇-水溶液中的泡沫结构、含液量和液膜的表面弹性进行了研究。泡沫稳定性和泡沫液膜之间的界面粘弹性有很大的关系，界面粘弹性可以帮助分析泡沫稳定性的机理。参考文献：牛奇奇，白艳云，台秀梅，王万绪，王国永.有机硅表面活性剂在乙醇-水体系中的起泡机制研究【J】。日用化学工业，2021.