Содержание

Введение

1. Общая характеристика процесса (сущность, область применения, основные виды продуктов)

1.1 Механизм реакции

1.2 Основные реагенты и их подготовка

2. Методы проведения процесса

2.1 Параметры управления процессом

2.2 Принцип оптимизации технологии

3. Современные методы совершенствования технологии

4. Экологические проблемы, особенности техники безопасности и охраны окружающей среды

5. Основные подходы химико-технологической реализации процесса

Заключение

Литература

Введение

Разработка рецептурных форм для лекарственных средств, в которых качества активных ингредиентов сохраняются длительное время - важная задача, так как многие БАВ не рассчитаны на длительное пребывание в организме - они быстро выводятся или метаболизируют. Также их полезные свойства утрачиваются под воздействием кислорода, УФ - облучения и перепадов температуры. Кроме того, некоторые весьма важные компоненты могут нейтрализовать оздоровительное действие других компонентов, а в некоторых случаях образовывать с ними принципиально вредные для организма продукты. В связи с этим БАВ используются с недостаточной эффективностью, что приводит к снижению лечебного свойства конечного лекарственного средства. Именно поэтому, все больше ученым приходится задумываться не только над поиском новых биорегуляторов, но и над созданием более совершенных форм уже известных биологически активных препаратов и задачей доставки этих препаратов в организм, регулирования скорости их действия и времени пребывания в организме. Природные полимеры, с этой точки зрения, представляют уникальную возможность для создания новых средств доставки БАВ. Широкое применение природных полимеров обусловлено их биосовместимостью, способностью к биодеградации, низкой токсичностью. В настоящее время к перспективным формам доставки различных биорегуляторов (ферментов, гормонов, витаминов, активаторов и ингибиторов различной природы) к тканям и органам относят липосомы, векторы, наночастицы, такие как полиэлектролитные микрокапсулы.

Включение белков в полимерные сферы и капсулы представляет большой научный и практический интерес. Внимания заслуживают публикации по капсулированию белков в полиэлектролитные (ПЭ) частицы. С помощью технологии электролитического восстановления, ступенчатое нанесение противоположно заряженных полиэлектролитов на матрицу, в качестве которой могут выступать твердые частицы различного размера, позволяет проводить иммобилизацию в мягких условиях и в водных растворах.

На основе полиэлектролитных комплексов (ПК) могут быть созданы эффективные системы с иммобилизованным ферментом, обладающим свойством саморегулирования. Ранее было предложено использовать ПК в качестве депо антигепариновых веществ. Антигепариновые вещества, представляющие собой растворимые катионные полиэлектролиты, являются чрезвычайно токсичными. Их токсичность не проявляется на фоне гепарина благодаря образованию ПК гепарин-поликатион. Поэтому передозировка антигепариновых препаратов представляет значительную опасность. Использование этих веществ в составе ПК позволяет избежать данного побочного эффекта. В качестве матриц для ПК используются коллоидные частицы с диаметром от десятков нанометров до десятков микрон. Круг использованных коллоидных частиц разнообразен. Среди них латексные полистирольные и меламинформальдегидные частицы, неорганические карбонатные матрицы, кристаллы органических красителей, микрочастицы из полигидроксикарбоновых кислот, интактные клетки, белковые агрегаты, микроагрегаты ДНК. В данной работе были использованы CaCO3 ядра, которые, на наш взгляд, являются оптимальными при работе с БАВ, т.к. растворяющим агентом для них служит ЭДТА и процесс растворения происходит в мягких условиях при физиологических значениях рН.

Для формирования полиэлектролитной оболочки на коллоидных частицах методом электролитического восстановления используются как синтетические, так и природные полиэлектролиты. В качестве последних применялись хитозан и хитозансульфат, протамин и декстран сульфат и другие. Основным фактором, определяющим эффективность микрокапсул, является проницаемость их оболочек для пищеварительных соков и других биологических жидкостей, а также для содержащихся в них лекарственных веществ.

1. Общая характеристика процесса (сущность, область применения, основные виды продуктов)

Русский академик В.В. Петров в 1802 году (за 30 лет до открытия М.Фарадеем законов электролиза) с помощью созданной им высоковольтной гальванической батареи обнаружил, что выделение электролизных газов у электродов сопровождается подкислением воды у анода и подщелачиванием у катода. Разделив пространство между анодом и катодом пористой диафрагмой, В.В. Петров впервые получил воду, обогащенную продуктами преимущественно катодных или преимущественно анодных электрохимических реакций - католит и анолит, соответственно.

В 1807 - 1808 гг. английским исследователем Г. Дэви с помощью электролиза были получены неизвестные ранее металлы - натрий и калий, а позднее электролиз был использован для получения магния и алюминия.

В 1837 году член Российской академии наук академик Б.С. Якоби опубликовал сообщение о разработанном им методе гальванопластики - получении металлических копий с рельефных изделий методом электролиза. Это открытие стало основой промышленного рафинирования меди.

Первые электрохимические заводы для рафинирования меди были построены в 70-х годах XIX века, после изобретения динамомашины. В 1886 - 1888 гг. возникли заводы для электролитического получения алюминия и хлорноватистокислых солей. В 1890 г. введены в эксплуатацию заводы для электролитического получения хлора, щелочи и металлического натрия, а затем для получения водорода и кислорода электролизом воды, для получения электролитического никеля, меди, цинка. В настоящее время электролиз водных растворов солей, электролиз расплавов, производство аккумуляторов и гальванических батарей представляют одну из крупнейших отраслей промышленности - электрохимическую. Задачи электрохимической промышленности разнообразны. Наиболее важными из них являются:

рафинирование цветных и благородных металлов;

получение цветных металлов из руд;

получение щелочных, щелочноземельных и других легких металлов;

получение водорода, кислорода, хлора и щелочей;

электролитический синтез неорганических и органических веществ;

декоративные и антикоррозионные покрытия металлов;

изготовление электрических аккумуляторов, гальванических элементов и других химических источников электроэнергии;

электрохимическая размерная обработка металлов и сплавов.

Практически весь хлор (мировое производство около 50 млн. тонн в год), почти весь гидроксид натрия, такие металлы как магний и алюминий, производятся электрохимическим путем. Электрохимические процессы играют важную роль в металлургии меди, цинка, кадмия, никеля, олова, натрия, бериллия, циркония, индия и в получении ряда благородных металлов, в том числе золота. Большинство важнейших современных электрохимических производств представлено размещенными на большом пространстве в тысячи квадратных метров многотонными электролизерами или гальваническими ваннами, связанными в единый производственный комплекс сетью трубопроводов и электрических линий. Работа этого комплекса обеспечивается целым рядом вспомогательных производств - для очистки воды и приготовления исходных растворов, кондиционирования продуктов электролиза, регенерации и нейтрализации отходов и др. Что препятствовало открытию электрохимической активации? Практически все растворы электролитов, применяемых в процессах прикладной электрохимии, имеют высокую концентрацию и низкое удельное электрическое сопротивление, что связано с требованиями минимизации расхода электроэнергии на единицу получаемого продукта. В связи с тем, что пресная вода или слабоминерализованные исходные растворы не находили практического применения в прикладной электрохимии в качестве растворов электролитов, то за более чем вековую историю ее развития сформировалось представление о том, что электролиз пресной воды невозможен в связи с малым количеством содержащихся в ней ионов. Это представление было основано на традиционно сложившихся подходах к промышленным электрохимическим процессам, для которых диапазон используемых напряжений на электродах единичной ячейки обычно не превышал 6 вольт при силе тока в несколько сотен ампер.

На самом деле электролиз пресной, ультрапресной и даже дистиллированной воды возможен, только для этого требуется высокое напряжение между электродами, а сам процесс электролитического разложения воды протекает при низкой плотности тока, т.е. с очень большими непроизводительными (с позиций промышленного электролиза) затратами электроэнергии. В 1972 году инженер В.М. Бахир впервые обратил внимание на ранее неизвестный факт: анолит и католит, полученные в диафрагменном электрохимическом реакторе из слабоминерализованной воды, очень сильно отличаются по физико-химическим параметрам и реакционной способности от моделей католита и анолита, приготовленных путем растворения в воде химических реагентов, вид и количество которых определены в соответствии с законами классического электролиза. Дальнейшие исследования показали, что различия в свойствах только что полученных католита и анолита разбавленных водно-солевых растворов от их химических моделей-аналогов (растворов стабильных щелочей или кислот) не являются постоянными, стабильными во времени. По прошествии некоторого времени (время релаксации) свойства и реакционная способность анолита и католита, самопроизвольно изменяясь, становятся равными соответствующим параметрам их химических моделей, т.е. в конечном итоге законы электролиза строго выполняются, но не сразу, а лишь по прошествии достаточно длительного времени - в общем случае от десятков минут до десятков и даже сотен часов. Обнаруженные значительные различия в реакционной способности и физико-химических параметрах дали В.М. Бахиру основание назвать анолит и католит в период времени их релаксации активированными или, иначе, электрохимически активированными растворами (водой) и сформулировать основные принципы технологии электрохимической активации. Электрохимическая активация как физико-химический процесс - это совокупность осуществляемых в условиях минимального выделения тепла электрохимического и электрофизического воздействий на воду с содержащимися в ней ионами и молекулами растворенных веществ в области пространственного заряда у поверхности электрода (либо анода, либо катода) электрохимической системы при неравновесном переносе заряда через границу “электрод-электролит” электронами. В результате электрохимической активации вода переходит в метастабильное (активированное) состояние, которое характеризуется аномальными значениями физико-химических параметров, в том числе окислительно-восстановительного потенциала, связанного с активностью электронов в воде, электропроводности, рН и других параметров и свойств. Самопроизвольно изменяясь во времени, возмущенные предшествующим внешним воздействием параметры и свойства воды, постепенно достигают равновесных значений в результате релаксации. Процесс получения электрохимически активированных воды и растворов относится к крайне неравновесным и является объектом изучения интенсивно развивающейся новой области химии - синергетики в химических процессах и химической технологии. Если в традиционной прикладной электрохимии основной задачей является отыскание параметров оптимального приближения электрохимического процесса к равновесным условиям, то для электрохимической активации важным является определение параметров оптимального удаления от условий равновесного протекания электрохимических реакций. Электрохимическая активация как технология - это получение и последующее использование электрохимически активированной воды либо в процессах ее очистки от нежелательных компонентов, либо в различных технологических процессах в качестве реагента или реакционной среды с целью управления сложными физико-химическими реакциями, экономии энергии, времени и материалов, повышения качества конечного продукта, уменьшения образования отходов.

Следует пояснить, что термин “вода” в приложении к процессам электрохимической активации, обозначает разбавленный водный раствор электролитов простого или сложного состава с общей концентрацией от нескольких миллиграммов до нескольких граммов в одном литре. В общем случае, это и дистиллированная, и ультрапресная, и пресная, в том числе питьевая, и слабоминерализованная (техническая) вода, т.е. водные растворы электролитов, удельная электропроводность которых значительно изменяется при относительно небольшом изменении концентрации. Эффекты электрохимической активации ярко проявляются для водных растворов, концентрация электролитов в которых меньше 0,1 моль/л и существенно ослабевают в растворах, концентрация электролитов в которых больше 0,1 моль/л. Необходимо отметить, что, как правило, продукты реакций, полученные с применением активированных растворов, не изменяют своих свойств и состояния во времени, т.е. не подвержены процессам релаксации. Например, если при взаимодействии воды с высоким содержанием ионов железа с активированным католитом в нерастворимые соединения переводится в три раза больше ионов железа, чем при взаимодействии той же воды с химической моделью католита, то результаты реакции необратимы в обоих случаях. Технические системы для электрохимической активации. В общем случае, при пропускании постоянного электрического тока через воду на электродах всегда происходят химические реакции и химический состав воды у анода и катода изменяется. Задача электрохимической активации состоит в том, чтобы подвергнуть всю жидкость воздействию электрического поля возможно более высокой напряженности при максимально возможном химическом воздействии и минимальном тепловыделении. Задача весьма непростая, поскольку в любых электрохимических системах, представленных двумя электродами, погруженными в жидкость, наибольшая интенсивность электрофизического воздействия может быть обеспечена только в непосредственной близости к поверхности электрода, т.е. в области двойного электрического слоя (ДЭС). В связи с этим, для осуществления процессов электрохимической активации необходимы специальные электрохимические реакторы, поскольку традиционные электролизеры, как лабораторные, так и промышленные, сконструированные для оптимальной реализации традиционных технологических процессов прикладной электрохимии, не пригодны для работы на пресной воде или разбавленных водных растворах. Процесс собственно активирования воды происходит только в непосредственной близости к поверхности электрода, где напряженность электрического поля в двойном электрическом слое (ДЭС) достигает сотен тысяч вольт на сантиметр. ДЭС имеет очень малую толщину: в разбавленных растворах и пресной воде - порядка 0,1 микрона, в концентрированных - намного меньше. Чтобы яснее представить себе, насколько сложно обеспечить соприкосновение всех микрообъемов воды, окружающей электрод, с его поверхностью, допустим, что в стакан погружен электрод в виде металлического прутка диаметром с карандаш. Если допустить также, что область высокой напряженности электрического поля вокруг электрода (область ДЭС) вдруг увеличилась и достигла 1 мм, то, для сохранения пропорций системы, диаметр стакана должен возрасти от 7 сантиметров до 700 метров. Понятно, что обеспечить обработку всей воды этого “озера” у поверхности электрода невозможно, не прибегая к специальным приемам.

Первые специальные технические средства для реализации ЭХА (диафрагменные электрохимические реакторы) были разработаны в 1974 - 1975гг. В.М. Бахиром и его коллегой Ю.Г. Задорожним. В течение почти 20 лет продолжалась напряженная работа по созданию оптимальной конструкции реактора для электрохимической обработки пресной воды и разбавленных водных растворов, которая в конце 80-х - начале 90-х годов завершилась созданием принципиально новой конструкции - проточного электрохимического модульного элемента ПЭМ-1. Но широкое коммерческое использование технологических процессов с применением электрохимически активированных растворов и воды стало возможным лишь в последние 7 - 8 лет благодаря появлению промышленных электрохимических систем нового типа на основе проточных электрохимических модульных элементов третьего поколения (ПЭМ-3) и реакторов РПЭ в виде блоков элементов ПЭМ-3 различной конфигурации, также созданных вышеназванными изобретателями. Отличия элемента ПЭМ от известных электрохимических реакторов состоят в следующем:

Элемент ПЭМ является модульным, имеет малые габариты и вес, в сочетании с высокой производительностью и экономичностью, что позволяет использовать его как в промышленных, так и в бытовых технических электрохимических системах. Диафрагма элемента ПЭМ изготовлена из керамики на основе оксидов циркония и алюминия и является очень прочной; она обладает малой фильтрационной способностью, что исключает физическое смешивание катодных и анодных объемов воды, выдерживает трансмембранный градиент давления до 1 атм. при сохранении постоянных размеров электродных камер. Диафрагма элемента ПЭМ обладает способностью к адсорбции на поверхности, обращенной к аноду, частиц, заряженных положительно, а на поверхности, обращенной к катоду - отрицательно заряженных частиц, что обусловливает снижение ее электрического сопротивления в разбавленных водных растворах и пресной воде и тем самым снижает расход электроэнергии, а также обеспечивает возможность длительной работы при градиентах давления различных знаков между электродными камерами, что позволяет использовать диафрагму как ионселективную перегородку в электрохимическом реакторе. Электродные камеры элемента ПЭМ представляют собой кольцевые удлиненные пространства между цилиндрическими поверхностями электродов и диафрагмы и имеют соотношение размеров, которое позволяет обеспечить одинаковую среднюю скорость движения микрообъемов жидкости в каждом из поперечных сечений, а также создают условия для соприкосновения возможно большего количества микрообъемов воды с поверхностью электрода, т.е. с областью ДЭС. Оптимальное сочетание длины и ширины электродных камер в элементе ПЭМ гарантирует отсутствие отрицательного влияния газонаполнения растворов в электродных камерах на энергетические и функциональные характеристики элемента ПЭМ при высокой плотности тока и малом протоке жидкости. Элементы ПЭМ в устройствах для электрохимической обработки воды можно соединять гидравлически не только параллельно, но и последовательно в единую гидравлическую цепь без разрыва потока, что невозможно при использовании известных электрохимических реакторов; при этом в цепь можно включать произвольно и в любом порядке как анодные, так и катодные камеры различных элементов ПЭМ, помещая между ними при необходимости вспомогательные устройства (флотационные, каталитические реакторы, системы для регулирования давления, скорости, температуры потоков и т.д.). Элементы ПЭМ можно соединять электрически параллельно, последовательно или последовательно-параллельно, что дает возможность не меняя гидравлическую конфигурацию легко переходить при необходимости от схемы биполярного электролизера к схеме монополярного или к схеме биполярно-монополярного электролизера. В элементах ПЭМ создаются условия, при которых в течение долей секунды большая часть микрообъемов воды подвергается обработке в поле высокой напряженности ДЭС, что позволяет получать у анода воду с ярко выраженными свойствами акцептора электронов (оксидантная вода), в то время, как у катода образуется вода со свойствами донора электронов (антиоксидантная вода). И анолит и католит являются разновидностями воды с повышенной электрической активностью, которая проявляется в последующих физико-химических или биохимических реакциях не только как самостоятельный фактор, но также как катализатор активности того небольшого количества синтезированных в процессе электрохимического воздействия продуктов анодных или катодных реакций.

Различные продукты восстановления можно получать, пользуясь методом электролитического восстановления. В зависимости от потенциала на электродах можно получать различные вещества. Впервые нитробензол был восстановлен в анилин с помощью сернистого аммония в 1842 г. Н.Н. Зининым. Это открытие сыграло важнейшую роль в развитии химической технологии, особенно в области химии красителей, медикаментов и фотохимикатов. Ароматические нитросоединения в зависимости от условий восстановления дают различные продукты. Ароматические амины являются конечными продуктами восстановления. Обычно их получают в кислой среде. В нейтральной, щелочной и слабокислой средах можно получить различные промежуточные продукты восстановления. Ниже приведена схема восстановления нитросоединений:

В нейтральной и кислой средах идут реакции 1-4, причем в кислой среде не удается выделить промежуточные продукты. В нейтральной среде можно выделить нитрозобензол и фенилгидроксиламин. В щелочной среде нитро- и нитрозобензолы конденсируются с фенилгидразином и идут реакции 5-9.

2. Механизм реакции

1. При растворении в воде (или расплавлении) электролиты распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы (подвергаются электролитической диссоциации).

2. Под действием электрического тока катионы (+) двигаются к катоду (-), а анионы (-) - к аноду (+).

3. Электролитическая диссоциация - процесс обратимый (обратная реакция называется моляризацией).

4. Степень электролитической диссоциации (б) зависит от природы электролита и растворителя, температуры и концентрации. Она показывает отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n) к общему числу молекул, введенных в раствор (N).

б = n / N 0< б <1

Механизм электролитической диссоциации ионных веществ

При растворении соединений с ионными связями (например, NaCl) процесс гидратации начинается с ориентации диполей воды вокруг всех выступов и граней кристаллов соли. Ориентируясь вокруг ионов кристаллической решетки, молекулы воды образуют с ними либо водородные, либо донорно-акцепторные связи. При этом процессе выделяется большое количество энергии, которая называется энергией гидратации. Энергия гидратации, величина которой сравнима с энергией кристаллической решетки, идет на разрушение кристаллической решетки. При этом гидратированные ионы слой за слоем переходят в растворитель и, перемешиваясь с его молекулами, образуют раствор.

Механизм электролитической диссоциации полярных веществ

Аналогично диссоциируют и вещества, молекулы которых образованы по типу полярной ковалентной связи (полярные молекулы). Вокруг каждой полярной молекулы вещества (например, HCl), определенным образом ориентируются диполи воды. В результате взаимодействия с диполями воды полярная молекула еще больше поляризуется и превращается в ионную, далее уже легко образуются свободные гидратированные ионы.

Электролиты и неэлектролиты

Электролитическая диссоциация веществ, идущая с образованием свободных ионов объясняет электрическую проводимость растворов.

Процесс электролитической диссоциации принято записывать в виде схемы, не раскрывая его механизма и опуская растворитель (H2O), хотя он является основным участником.

CaCl₂ ? Ca²⁺ + 2Cl^- KAl(SO₄)₂ ??K⁺ + Al³⁺ + 2SO₄^2- HNO₃ ? H⁺ + NO₃^- Ba(OH)₂ ? Ba²⁺ + 2OH

Из электронейтральности молекул вытекает, что суммарный заряд катионов и анионов должен быть равен нулю. Например, для

Al₂(SO₄)₃ -- 2 * (+3) + 3 * (-2) = +6 - 6 = 0 KCr(SO₄)₂ -- 1 * (+1) + 3 * (+3) + 2 * (-2) = +1 + 3 - 4 = 0

Сильные электролиты

Это вещества, которые при растворении в воде практически полностью распадаются на ионы. Как правило, к сильным электролитам относятся вещества с ионными или сильно полярными связями: все хорошо растворимые соли, сильные кислоты (HCl, HBr, HI, HClO4, H2SO4,HNO3) и сильные основания (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ba(OH)2,Sr(OH)2,Ca(OH)2).

В растворе сильного электролита растворённое вещество находится в основном в виде ионов (катионов и анионов); недиссоциированные молекулы практически отсутствуют.

Слабые электролиты

Вещества, частично диссоциирующие на ионы. Растворы слабых электролитов наряду с ионами содержат недиссоциированные молекулы. Слабые электролиты не могут дать большой концентрации ионов в растворе.

К слабым электролитам относятся: 1) почти все органические кислоты (CH3COOH, C2H5COOH и др.); 2) некоторые неорганические кислоты (H2CO3, H2S и др.); 3) почти все малорастворимые в воде соли, основания и гидроксид аммония (Ca3(PO4)2; Cu(OH)2; Al(OH)3; NH4OH); 4) вода. Они плохо (или почти не проводят) электрический ток.

СH₃COOH ? CH₃COO^- + H⁺ Cu(OH)₂ ? [CuOH]⁺ + OH^- (первая ступень) [CuOH]⁺ ? Cu²⁺ + OH^- (вторая ступень) H₂CO₃ ? H⁺ + HCO^- (первая ступень) HCO₃^- ? H⁺ + CO₃^2- (вторая ступень)

Неэлектролиты

Вещества, водные растворы и расплавы которых не проводят электрический ток. Они содержат ковалентные неполярные или малополярные связи, которые не распадаются на ионы. Электрический ток не проводят газы, твердые вещества (неметаллы), органические соединения (сахароза, бензин, спирт).

Степень диссоциации. Константа диссоциации

Концентрация ионов в растворах зависит от того, насколько полно данный электролит диссоциирует на ионы. В растворах сильных электролитов, диссоциацию которых можно считать полной, концентрацию ионов легко определить по концентрации (c) и составу молекулы электролита (стехиометрическим индексам). Концентрации ионов в растворах слабых электролитов качественно характеризуют степенью и константой диссоциации. Степень диссоциации (б) - отношение числа распавшихся на ионы молекул (n) к общему числу растворенных молекул (N):

б = n / N

и выражается в долях единицы или в % (б = 0,3 - условная граница деления на сильные и слабые электролиты).

3.Основные реагенты и их подготовка

Химические реактивы (реагенты химические) -- химические препараты, предназначенные для химического анализа научно-исследовательских, различных лабораторных работ. В большинстве случаев химические реактивы представляют собой индивидуальные вещества; однако к реактивам относят и некоторые смеси веществ (например, петролейный эфир). Иногда реактивами называются растворы довольно сложного состава специального назначения (например, реактив Несслера -- для определения аммиака). По степени чистоты и назначению в России различают и соответственно маркируют химические реактивы: особой чистоты (о.ч.), химически чистые (х.ч.), чистые для анализа (ч.д.а.), чистые (ч.), очищенные (очищ.), технические продукты расфасованные в мелкую тару (техн.). Чистота химических реактивов в России регламентируется Государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ).

Многие химические реактивы специально производятся для лабораторного использования, но находят применение и очищенные химические продукты, выпускаемые для промышленных целей. Химические реактивы разделяют также на группы в зависимости от их состава: неорганические, органические реактивы, реактивы, содержащие радиоактивные изотопы, и др. По назначению выделяют, прежде всего, аналитические реактивы, а также химические индикаторы, органические растворители. Ценность и практическое значение аналитических реактивов определяются главным образом их чувствительностью и селективностью. Чувствительность химических реактивов -- это наименьшее количество или наименьшая концентрация вещества (иона), которые могут быть обнаружены или количественно определены при добавлении реактива. Например, ион магния при концентрации 1,2 мг/л даёт ещё заметный осадок после прибавления растворов динатрийфосфата и хлорида аммония. Имеются значительно более чувствительные реактивы. Специфическими считаются такие реагенты, которые дают характерную реакцию с анализируемым веществом или ионом в известных условиях, независимо от присутствия других ионов. Специфичных реагентов известно очень мало (например, крахмал, применяемый для обнаружения иода). В аналитической химии приходится иметь дело главным образом с селективными и групповыми реагентами. Селективный реагент взаимодействует с небольшим числом ионов. Групповой реагент применяется для одновременного выделения многих ионов. Селективные аналитические реагенты представляют собой преимущественно сложные органические соединения, способные к образованию характерных внутрикомплексных соединений с ионами металлов. Большое значение в неорганическом анализе имеют такие органические реагенты, как 8-оксихинолин, дифенилтиокарбазон («дитизон»), a-бензоиноксим, 1-нитрозо-2-нафтол, диметилглиоксим, триокси-флуороны, комплексон III (см. Комплексоны), некоторые оксиазосоединения, дитиокарбаминаты, диэтилдитиофосфат, диантипирилметан и др. производные пиразолона. Известно много реагентов для органического функционального анализа. Например, фенилгидразин, 2,4-динитрофенилгидразин, семикарбазид и тиосемикарбазид применяются для качественного и количественного определения альдегидов и кетонов.

4. Методы проведения процесса

Метод анализа, основанный на способности заряженных частиц к передвижению во внешнем электрическом поле называют электрофорезом (от “электро” и греческого phoresis -- перенесение).

Электролиз относится к методам разделения без превращения веществ, на основе заряда частиц. По технике выполнения метод аналогичен хроматографии, поэтому и рассматривается в этой главе.

Рис.4.1. Схема прибора для электрофореза.

Нередко под электрофорезом понимают перемещение коллоидных частиц или макромолекул, в отличие от иовофореза - перемещения неорганических ионов малого размера. Передвижение частиц при электрофорезе зависит от ряда факторов, основными из которых являются: напряженность электрического поля; величина электрического заряда; скорость и размер частицы; вязкость, рН и температура среды, а также продолжительность электрофореза.

Электрофорез можно проводить как в свободном растворе (фронтальный электрофорез), так и на носителях (зональный электрофорез). Последний вариант предпочтительнее, т.к. носители способствуют стабилизации электрофоретических зон. В качестве носителей используют: фильтровальную бумагу, силикагель, крахмал, оксид алюминия, поливинилхлорид, агаровый и полиакриламидный гели и др. Электрофоретическое разделение осуществляют на бумаге, в тонком слое сорбента, колонке или в блоке (который часто формируют из суспензии крахмала в подходящем электролите). Аппаратура для электрофореза выполняется по единой схеме: источник тока, камера для электрофореза, два электрода, соединяющих камеру с источником тока и приспособление для сбора и идентификации разделенных веществ (последний блок в некоторых случаях отсутствует). Для электрофореза используют как готовые наборы аппаратуры (универсальный прибор для иммуноэлектрофореза и электрофореза белков на бумаге и крахмале, набор для электрофореза в полиакриламидном геле венгерской фирмы Реанал), так и наборы, составляемые экспериментатором из отдельных приборов.

На рис.4.1 представлена схема прибора для электрофореза на бумаге. Электрофоретическая камера состоит из двух кювет, в которые помещают графитовые электроды и раствор проводящей жидкости (буферный раствор). Выше кювет находится подставка для носителя бумаги. Смесь веществ, подлежащих разделению, наносят на пропитанную проводящей жидкостью бумагу. Бумагу подсушивают, помещают на подставку, концы погружают в кюветы, затем камеру плотно закрывают крышкой. После пропитывания бумаги проводящей жидкостью подключают электрический ток. По окончании электрофореза бумагу подсушивают. Качественную и количественную оценку осуществляют, применяя методы, используемые в бумажной хроматографии, например, проявление белков с помощью красителей, количественную оценку - методом денситометрии.

Важной областью применения электрофореза является анализ белков сыворотки крови, аминокислот гидролизатов белков, нуклеиновых кислот и т.п. В кислотном буферном растворе аминокислота находится в виде катиона NHз⁺......COOH, который будет перемещаться к катоду, в то время как в щелочном буфере аминокислота превращается в анион NH₂....COO^-, и будет двигаться к аноду. В изоэлектрической точке аминокислота находится в растворе в виде биполярного иона NH₃⁺......COO^- и не будет передвигаться в электрическом поле.

Ввиду того, что отдельные белки и аминокислоты имеют различные изоэлектрические точки, при определенном значении рН они будут двигаться с различной скоростью. Подбирая соответствующие буферные растворы для установления определенной скорости движения и растворимости веществ, можно использовать электрофорез для их разделения. Метод позволяет разделять вещества, различие в изоэлектрической точке которых составляет до 0,02 единиц рН. Градиент рН в 0,02 единицы часто достигают прибавлением амфолитов, представляющих собой готовую смесь алифатических полиаминаполикарбоновых кислот.

Рис.4.2. Электрофореграмма (а) и схемы (б) белковых фракций.

A - белковые фракции сыров: 1, 17 - российского, 2, 16 - волжского, 3, 15 - “Орбита”, 4, 14 - колбасного, 5, 13 - голландского, 6, 12 - пошехонского, 7, 11 - “сырного” казеина после осаждения при pH 4,6, 8, 10 - молочной сыворотки, 9 - казеина по Гаммерстену, 18 - “городского”.

Б - белковые фракции сыра (I), сырного казеина (II)

Электрофоретическое разделение белков широко используется для оценки качества мяса и мясных продуктов, для дифференцирования вида мяса и рыбы. Метод также применяется для выявления немясных добавок (белков молока, сои, яиц) в мясных продуктах. С помощью электрофореза в полиакриламидном геле можно охарактеризовать изменение белков в процессе созревания сыров (рис.4.2).

В настоящее время используют высокоэффективный капиллярный электрофорез, например, для анализа витаминов в диетических продуктах (жирорастворимых А, Е, К, Д; водорастворимых - B₁, B₂, B₆, B₁₂, С, никотинамида); и для определения анионов (сульфат - хлорид-, иодид-) в молочных продуктах.

5. Параметры управления процессом

Управление химическими процессами подразумевает знание того, как влияют различные факторы на процесс. Метод позволяет выяснить, как влияют внутренние (температура, давление) и внешние (наличие и концентрация различных химических веществ) факторы на различные процессы. Например, для того, чтобы изучить влияние температуры на химический (фазово-химический) процесс, необходимо произвести расчет системы в исследуемом интервале температур с заданным шагом. Затем по равновесному количеству реализующихся при каждой расчетной температуре веществ определяются протекающие фазовые и химические реакции. Для сложных многокомпонентных систем такая информация зачастую не может быть получена опытным путем, либо это займет много времени и финансовых вложений. Рассчитанный фазовый и химический состав системы при различных температурах позволит понять влияние температуры, а следовательно станет возможным через температуру управлять химическим процессом. Аналогично дело обстоит с другими факторами - объемом газовой фазы, давлением, влиянием присутствия различных веществ и их концентрации. Так в случае изучения влияния концентрации веществ на химический (технологический) процесс, изучают равновесный состав системы при разных концентрациях исходных веществ, или каких-либо других веществ, вводимых на различных стадиях процесса с различными целями (если возникает такая необходимость). Моделирование исследуемой системы решает задачу управления химическими процессами, протекающими в ней.

6.Принцип оптимизации технологии

На химических заводах и комбинатах из сырья минерального, растительного или животного происхождения и различных промежуточных продуктов их переработки производят свыше миллиарда тонн в год химической продукции сотен тысяч наименований. При огромных различиях в масштабах производства (от десятков тонн до десятков миллионов тонн в год) и номенклатуре продукции все химические предприятия имеют общие принципы построения и общие направления развития и совершенствования. Любое химическое производство включает технологические стадии приема и подготовки сырья, химического превращения разделения реакционной массы, выделения целевого продукта, его очистки, отгрузки и отправки потребителю, а также очистки и переработки отходов и выбросов. Кроме сырья химические производства в значительных количествах потребляют пар воду, электроэнергию. Эффективность химического производснва определяется экономическими показателями, и ее повышение достигается различными методами, одним из которых является метод математического моделирования. Важнейшими характеристиками работы промышленного химического реактора являются удельная производимость (количество целевого продукта, образующегося в единицу времени в единице объема реактора) и селективность (доля превращенного сырья, использованного на образование целевого продукта). Для достижения наилучших экономических результатов необходимо добиваться возможно более высоких значений этих показателей. Для этого необходимо выбрать соответствующие условия протекания процесса с использованием его математической модели, который основан на использовании законов природы, лежащих в основе химических и физических процессов, протекающих в реакторе и других аппаратах различных технологических стадий. К ним относятся уравнения химической кинетики и термодинамики, описывающие скорости образования основных и побочных продуктов реакции и состав реакционной массы как функцию температуры, давления, начальных концентраций реагентов и степени их конверсии, уравнения гидродинамических, тепловых и массообменных процессов, сопровождающих реакцию или протекающую в отдельных аппаратах. Эти уравнения используют затем для построения функции себестоимости или дохода связывающие эти критерии с параметрами процесса.

7.Современные методы совершенствования технологии

8.Экологические проблемы, особенности техники безопасности и охраны окружающей среды

8.1.Экологические проблемы

Научно-техническая революция позволила расширить и удешевить сырьевую базу для получения минеральных удобрений, организовать массовую перевозку жидких полупродуктов для удобрений (аммиак, фосфорная кислота), создать новые виды высококонцентрированных одинарных и комплексных удобрений и повысить их роль в структуре производства. Все это существенно изменило предпосылки Развития данной отрасли в отдельных странах и регионах мира. На географию отрасли -- на производство, потребление, внешнюю торговлю удобрениями влияют и экологические проблемы, особенно в промышленных странах мира. С химизацией народного хозяйства связаны многие экологические проблемы. Широкое внедрение химических процессов в разных отраслях хозяйства обусловливает большое количество выбросов в атмосферу, стоков и отходов, опасных для природной среды. Источниками их, в первую очередь, являются тепловые электростанции, металлургические предприятия, автомобильный транспорт. Сама химическая промышленность в целом дает выбросов и стоков существенно меньше. Только в центрах большой концентрации химических предприятий, особенно в городах, роль химических отходов увеличивается в опасных концентрациях. Гораздо большую опасность представляет бесконтрольное использование или неправильное применение многих продуктов химической промышленности как в производственной сфере, так и в быту. Это обусловлено низкой экологической грамотностью населения и недостатком специальных мероприятий по охране среды. Области таких нарушений, использование химикатов не по назначению обширны -- несанкционированный прием антибиотиков, применение гормонов роста животных, химических средств защиты растений (их вырабатывают в мире 6 млн. т, т.е. по 1 кг на каждого жителя планеты). Очень велики отходы полимерных материалов.

8.2 Основные правила безопасности при работе в химической лаборатории

Многие химические реактивы ядовиты, огнеопасны, взрывоопасны; поэтому при работе с ними необходимо соблюдать меры предосторожности.

Запрещается допускать студентов, аспирантов и сотрудников к работе в лаборатории без ознакомления с настоящей инструкцией. Прохождение инструктажа отмечается росписью в лабораторном журнале по технике безопасности. Ответственность за это несет руководитель лаборатории.

Во время работы в лаборатории соблюдайте чистоту, порядок и правила техники безопасности, так как беспорядочность, поспешность или неряшливость в работе часто приводят к несчастным случаям с тяжелыми последствиями.

Запрещается в лаборатории пить воду, принимать пищу, курить.

Все химические реактивы следует хранить только в соответствующей посуде с этикетками.

Студентам запрещается приступать к работе, не согласовав плана работы с руководителем.

По окончании пользования газом, водой и электроприборами немедленно закройте краны, которыми вы пользовались и отключите электроприборы. Уходя из лаборатории, проверьте окончание химических процессов, включены ли газ, вода и электрический ток на столах, под тягами и затем в наружных шахтах.

Лица, нарушающие правила безопасности, привлекаются администрацией к ответственности.

8.3.Правила работы с кислотами и горючими веществами.

Разбавление серной кислоты производить приливанием кислоты в воду, а не наоборот, и только в жаростойких и фарфоровых стаканах, так как при этом происходит значительное выделение тепла.

Переливать крепкие HNO₃, H₂SO₄ и HCl можно только при включенной тяге в вытяжном шкафу. Дверцы шкафа должны быть, по возможности, прикрыты.

При работе с крепкими кислотами необходимо одевать защитные очки, а при работе с дымящей HNO₃, кроме очков, надевать длинный резиновый фартук.

Запрещается при работе с этиловыми эфиром, спиртом, бензолом, ацетоном, уксусно-этиловым эфиром и др. горючими и легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ) проводить нагревание на голом огне, на сетке, вблизи открытого пламени или в открытых сосудах. Следует иметь в виду, что легколетучие органические жидкости могут воспламеняться при отсутствии открытого пламени, при падении на сильно нагретую поверхность.

Запрещается ЛВЖ выливать в ведра, банки для мусора во избежание пожара от случайно брошенной спички.

8.4.Первая помощь в лабораториях при ожогах и отравлениях.

При термических ожогах немедленно делайте неоднократные примочки в месте ожога спиртовым раствором танина (можно также смачивать раствором KMnO₄ или С₂Н₅ОН и покрывать мазью от ожогов - сульфидиновой эмульсией).

При ожогах кислотами сначала хорошо промойте обожженное место проточной водой, а затем раствором Nа₂СО₃.

При ожогах едкими щелочами хорошо промойте обожженное место водой, а затем разбавленной уксусной кислотой.

В случае вдыхания хлора или паров брома следует вдыхать пары спирта, а затем выйти на свежий воздух.

Особое внимание при работе в лаборатории должно уделяться защите глаз. В случае попадания в глаза различных химических реагентов нужно немедленно промыть глаза большим количеством воды в течение 3 - 5 минут, а затем промыть глаза в случае щелочных реагентов растворов раствором HBr, в случае кислых - раствором Na₂CO₃. После этих мер первой помощи необходимо немедленно обратиться к врачу.

8.5 Тушение местного пожара и горящей одежды

При возникновении пожара немедленно выключите газ и электроприборы по всей лаборатории, уберите все горючие вещества подальше от огня, засыпьте песком или накройте войлочным, шерстяным одеялом или асбестом очаг пожара. Большое пламя тушат при помощи огнетушителя (лучше применять углекислотные).

Если на ком-либо загорится одежда, тушите обливанием водой из душа или немедленно повалите на пол и накройте войлочным одеялом, которое не снимайте до тех пор, пока не погаснет пламя.

8.6 Мероприятия по улучшению условий труда

Инструкции по безопасности работ с едкими, огне- и взрывоопасными, СДЯВ должны быть более подробными.

Например, довольно часто в лаборатории используют ртутные термометры. В случае их разбивания ртуть, проникая в щели пола, испаряется, и ее пары могут послужить источником тяжелых отравлений. Поэтому следует добавить следующее положение в инструкцию:

пролитую ртуть собирают вакуум-пипеткой с ловушкой. Для собирания ртути можно также использовать склянки Тищенко, подключенные к вакуумному насосу, кисточки или пластины из меди. Необходимо обработать загрязненные ртутью поверхности 1%-ным раствором КмnО₄, подкисленный НСl.

При работе с концентрированными кислотами и щелочами следует принять к сведению и внести в инструкцию следующее:

если кислота случайно пролита, то ее сначала засыпают песком, чтобы он впитал кислоту, затем песок убирают и место, где была пролита кислота, засыпают известью или содой, после этого замывают водой и вытирают досуха;

пролитые концентрированные растворы щелочей также засыпают песком или древесными опилками, после их удаления обрабатывают поверхность слабым раствором уксусной кислоты;

запрещается слив в канализацию кислот и щелочей без предварительной их нейтрализации.

При переноске кислот и щелочей необходимо соблюдать правила:

переноска кислот одним человеком разрешается в соответствующей стеклянной посуде емкостью не более 5 л в специальных корзинах;

- бутыли емкостью 5 л с кислотами и растворами щелочей должны помещаться в корзины, причем свободные промежутки должны быть заполнены соломой или стружками, корзины должны переноситься двумя работниками.

9. Основные подходы химико-технологической реализации процесса

9.1 Получение микрочастиц карбоната кальция

Эквивалентный объем (15 мл) 0,33 N водного раствора Na₂CO₃ быстро приливали при перемешивании (400-900 об/мин) к 0,33 N водному раствору CaCl_2.. После перемешивания в течение 60 сек, суспензию образовавшихся частиц оставляли на 5-7 минут до полной кристаллизации карбоната кальция. Далее осадок CaCO₃ промывали 50 мл воды и фильтровали. Отмывку повторяли 3 раза. Последний раз микрочастицы промывали спиртом или ацетоном, после чего фильтр помещали под нагревательную лампу и сушили 1,5 час при 50-60 ^оС. Сухие микрочастицы CaCO₃ хранили в закупоренной емкости при комнатной температуре.

9.2. Включение ХТР в CaCO₃ микрочастицы методом адсорбции в порах

50-100 мг CaCO₃ микрочастиц диаметром 3-5 микрон суспендировали в 1 мл раствора фермента (5-10 мг/мл) в воде. После инкубации на шейкере или качалке в течение 2 часов, микрочастицы осаждали центрифугированием (1000 об/мин, 5 мин) и отделяли супернатант. Далее частицы оставляли на 10 часов в холодильнике, центрифугировали (1000 об/мин, 5 мин), отбирали супернатант. После этого, частицы дважды промывали водой (1мл), используя центрифугирование (1000 об/мин, 5 мин)/ресупендирование.

9.3 Получение полиэлектролитных микрокапсул

Капсулы получали на CaCO₃ частицах с диаметром 3-5 мкм последовательной адсорбцией Alg (2 мг/мл) и PLL (2 мг/мл) в 0,02 N NaCl. Нанесение каждого слоя полиэлектролитов проводили в течение 15 минут, затем частицы центрифугировали и дважды промывали в 0,02 N NaCl. При агрегации частиц между собой в процессе адсорбции ПЭ, суспензию микрочастиц подвергали обработке ультразвуком (максимальная мощность) в течение 1-3 сек. После нанесения 3-ех слоев Alg и 3-ех слоев PLL, CaCO₃- частицы растворяли 0,2М раствором ЭДТА, рН 7,0. После полного растворение карбонатной матрицы, микросферы промывали в воде 3 раза (время инкубации 3-5 минут) и хранили в виде суспензии при 4 ^оС.

9.4 Определение содержания белка в микрочастицах и растворах

Определения концентрации белка в растворах проводили спектрофотометрически. Для этого в кювету на 1,5 мл вводили 1 мл раствора белка и измеряли оптическую плотность при 280 нм. Исследуемые растворы были разбавлены, с учетом коэффициента экстинкции для каждого белка, таким образом, чтобы значение оптической плотности не превышало 2. Калибровочную кривую строили с использованием того же белка, который использовали для получения микрочастиц. Эффективность включения (иммобилизации) белка определяли как отношение оптической плотности в исходном растворе (D_исх) к значению в супернатанте после сорбции(D_сорб).