Reakcja wymiany jonowej prowadzona w reaktorze przepływowym

Budowa kolumny

A. Budowa kolumny do reakcji wymiany jonowej z wypełnieniem usypowym (pierścienie Białeckiego oraz/lub szklanymi kulkami)

Kolumna wykorzystywana w eksperymentach obejmujących optymalizację reakcji wymiany jonowej prowadzącej do otrzymywania cieczy jonowych została wykonana ze szkła borokrzemowego (szkło Duran®). Na Rysunku 20 przedstawiono schematyczną budowę kolumny wraz z zaznaczeniem jej kluczowych elementów. Średnica kolumny wynosi 4 cm, długość całkowita wynosi 54 cm (licząc od górnej krawędzi do wylotu kranu znajdującego się w jej dolnej części), a długość strefy reakcji wynosi 30 cm (oznaczona na rysunku numerem 1). W jej dolnej części znajduje się kran (oznaczony na rysunku numerem 2), który służył do pobierania fazy dichlorometanowej (do analizy IC) oraz wypływu z kolumny nadmiaru fazy dichlorometanowej. Powyżej (oznaczona na rysunku numerem 3) umieszczona została półka wykonana ze stopionych ze sobą pierścieni Raschiga, która miała zapobiegać opadaniu wypełnienia kolumny. Nad półką umieszczono wylot kolumny (oznaczony na rysunku numerem 4), który służył do dostarczania fazy zawierającej rozpuszczony w wodzie związek będący źródłem wymienianego anionu (oznaczony jako AX). Wewnątrz kolumny umieszczano odpowiedni rodzaj wypełnienia (pierścienie Białeckiego oraz/lub szklane kulki). Wysokość warstwy była równa długości strefy reakcji zaznaczonej na Rysunku 20. Masa poszczególnych wypełnień

89

umieszczonych w strefie reakcji wynosiła odpowiednio: (i) szklane kulki: 503,92g, (ii) pierścienie Białeckiego: 63,24g + szklane kulki: 458,41g. Powyżej strefy reakcji umieszczono wylot kolumny (oznaczony na rysunku numerem 5), który służył do dostarczania fazy zawierającej rozpuszczoną w dichlorometanie odpowiednią wyjściową ciecz jonową. Wyżej znajdował się wylot kolumny (oznaczony na rysunku numerem 6), który był przeznaczony do pobierania próbek fazy wodnej do dalszych analiz (analiza IC) oraz do usuwania nadmiaru fazy wodnej z układu. Objętość pustej kolumny (strefa przebiegu reakcji, bez umieszczonego wewnątrz wypełnienia) wynosiła 376,8 cm³.

Rysunek 20. Budowa kolumny z wypełnieniem usypowym wykorzystywanej do reakcji wymiany jonowej. 1 – strefa przebiegu reakcji; 2 - kran służący do zbierania fazy dichlorometanowej; 3 - półka zapobiegająca opadaniu wypełnienia kolumny; 4 – wylot kolumny służący do dostarczania fazy wodnej; 5 - wylot kolumny służący do dostarczania fazy DCM; 6 – wylot kolumny służący do zbierania fazy wodnej.

B. Budowa kolumny do reakcji wymiany jonowej z wypełnieniem w formie ciała stałego (wypełnienie stanowił związek będący źródłem wymienianego anionu) Podstawowe elementy kolumny wykorzystywanej do reakcji wymiany jonowej z wypełnieniem stałym, które stanowił związek będący źródłem wymienianego anionu były analogiczne do tych opisanych w podpunkcie A Budowa kolumny do reakcji wymiany

90 i oznaczonych na Rysunku 20. Zasadniczą różnicą był rodzaj wypełnienia kolumny. Półka,

która miała zapobiegać opadaniu wypełnienia wykonana została ze spieku szklanego. Kolumna miała mniejszą średnicę: 2,5 cm. Wysokość warstwy wypełnienia wynosiła 10 cm. Objętość pustej kolumny (strefa przebiegu reakcji, bez umieszczonego wewnątrz wypełnienia) wynosiła 235,5 cm3.

Budowa układu do przeprowadzenia reakcji wymiany jonowej w przepływie

W celu przeprowadzenia eksperymentów mających na celu optymalizację reakcji wymiany jonowej zbudowany został systemu przepływu ciągłego. Układ ten składał się z: (i) dwóch pomp (pompy HPLC - HPLC Varian PrepStar SD-1 Pump), (ii) szklanej kolumny z wypełnieniem oraz (iii) odbieralników (Schemat 11 i Schemat 12) Poszczególne elementy zostały połączone za pomocą rurek wykonanych z PTFE o średnicy wewnętrznej 1/8 cala.

Reakcje wymiany jonowej

A. Reakcje przeprowadzane w kolumnie z wypełnieniem pierścieniami Białeckiego oraz/lub szklanymi kulkami

Przed rozpoczęciem każdej z reakcji przygotowywane były roztwory dichlorometanowe odpowiedniej wyjściowej cieczy jonowej o stężeniu 0,01M oraz roztwory wodne związku będącego źródłem wymienianego anionu o stężeniu 0,01M (stężenia te były wystarczające do przeprowadzenia analiz metodą chromatografii

Schemat 11. Budowa układu do przeprowadzenia reakcji wymiany jonowej w przepływie. Reaktor stanowiła kolumna z wypełnieniem usypowym. Układ zbudowany był z: (i) zestawu pomp HPLC Varian PrepStar SD-1 Pump, (ii) szklanej kolumny z wypełnieniem oraz (iii) odbieralników. [kat][Y] – wyjściowa ciecz jonowa, AX – związek będący źródłem wymienianego anionu, [kat][X] – produkt reakcji.

91

jonowej). Tak niskie stężenia sprawiało, że złoże znajdujące się w kolumnie długo zachowywało swoje właściwości. Roztwory te dozowane były ze szklanych butelek o pojemności jednego litra. W następnej kolejności, kolumna była zalewana wodą destylowaną i poprzez jej górny wylot była wypełniania kolejnymi partiami wypełnienia (cała strefa reakcji, Rysunek 20). Każdy z roztworów był pompowany z taką samą prędkością przez czas, w ciągu którego zadozowane zostało 220 ml każdego roztworu (objętość większa niż objętość kolumny pozbawionej wypełnienia). Następnie, po tym czasie zbierano do szczelnych butelek 30 ml fazy wodnej i 30 ml fazy dichlorometanu, które posłużyły do wykonania analizy IC. Każda z zebranych próbek została odparowana na wyparce obrotowej i poddana analizie IC. Wymiana jonowa prowadzona była w przeciwprądzie (Rysunek 20). Testowano cztery różne prędkości, z którymi pompowano roztwory związków ulegających reakcji wymiany jonowej: 25 ml/min, 35 ml/min, 45 ml/min oraz 55 ml/min.

B. Reakcje przeprowadzane w kolumnie z wypełnieniem w formie ciała stałego Przed rozpoczęciem każdej z reakcji przygotowywane były roztwory dichlorometanowe (dichlorometan bezwodny) odpowiedniej wyjściowej cieczy jonowej o stężeniu 0,01M. Roztwór ten był dozowany ze szklanej butelki o pojemności pół litra. W przypadku wypełnienia, które stanowiło ciało stałe, było ono ostrożnie wsypywane przez górny wlot do kolumny do momentu utworzenia warstwy o wysokości 10 cm. Roztwór był pompowany z prędkością 25 ml/min przez czas, w ciągu którego zadozowane

DCM + _{DCM +}

Schemat 12. Budowa układu do przeprowadzenia reakcji wymiany jonowej w przepływie. Reaktor stanowiła kolumna z wypełnieniem w formie ciała stałego. Układ zbudowany był z: (i) pompy HPLC Varian PrepStar SD-1 Pump, (ii) szklanej kolumny z wypełnieniem oraz (iii) odbieralników. [kat][Y] – wyjściowa ciecz jonowa, AX – związek będący źródłem wymienianego anionu, [kat][X] – produkt reakcji.

92

zostało 100 ml roztworu (objętość większa niż objętość kolumny pozbawionej wypełnienia). Następnie, po tym czasie zbierano do probówek Eppendorfa cztery próbki fazy, która opuszczała kolumnę przez kran znajdujący się w jej dolnej części (każda po 3 ml, posłużyły one do wykonania analizy IC). Każda z zebranych próbek została poddana analizie IC.