Advanced

Measurement of the relative static permittivity and miscibility of ternary CO2-expanded green solvents

Norberg, Mynta LU (2018) KEML16 20181
Department of Chemistry
Abstract
CO2-expanded liquids (CXLs) are a class of solvent systems that have shown great promise as a green and effective medium in synthesis, catalysis, extractions, and analytical separation methods. Unfortunately, not much information is available on the polarity and miscible compositions of CXL systems, information which is crucial for selecting the right solvent system for a particular application. Here, the relative static permittivity (εr) of a set of binary and ternary CXLs at 35◦C and 80 bars was measured, along with visually determined miscibility limits of glycerol in 10:90, 30:70, and 50:50 CO2:ethanol (by molar fraction), and glycerol and water in 10:90, 30:70, and 50:50 CO2:ethyl lactate. A novel technique for the measurement of εr... (More)
CO2-expanded liquids (CXLs) are a class of solvent systems that have shown great promise as a green and effective medium in synthesis, catalysis, extractions, and analytical separation methods. Unfortunately, not much information is available on the polarity and miscible compositions of CXL systems, information which is crucial for selecting the right solvent system for a particular application. Here, the relative static permittivity (εr) of a set of binary and ternary CXLs at 35◦C and 80 bars was measured, along with visually determined miscibility limits of glycerol in 10:90, 30:70, and 50:50 CO2:ethanol (by molar fraction), and glycerol and water in 10:90, 30:70, and 50:50 CO2:ethyl lactate. A novel technique for the measurement of εr was validated and applied to binary and ternary CXLs, and an additive model for approximating εr of solvent mixtures was applied to CXL systems and evaluated. Glycerol remained miscible over a large range of molar fractions in all ratios of CO2:ethanol and CO2:ethyl lactate. Water remained miscible over an even larger range of molar fractions in all ratios of CO2:ethyl lactate. The additive model was adequate for approximating εr values of the CO2+ethanol+glycerol system, but not for the systems containing ethyl lactate. The compositional dependence of εr was remarkably nonlinear for all studied ratios of CO2:ethyl lactate in the CO2+ethyl lactate+water system. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Lösningsmedel är vätskor i vilka nästan all kemi utspelar sig, såsom tillverk- ningen av kemiska ämnen (t.ex. mediciner), extraktioner av ämnen, eller separationer av olika ämnen. Inom framförallt läkemedelsindustrin används enorma mängder lösningsmedel, vilket är ett stort problem eftersom nästan alla vanliga lösningsmedel är giftiga, miljöfarliga, och brandfarliga. Så kallade gröna lösningsmedel, exempelvis vatten eller etanol (vanlig alkohol), räcker inte alltid till eftersom de inte har alla de olika egenskaperna som kemister och kemiindustrin behöver. Forskare har därför börjat leta efter nya alterna- tiv, i hopp om att hitta mer hållbara sätt att t.ex. tillverka mediciner på. Ett sådant alternativ som utforskas i detta arbete är så... (More)
Lösningsmedel är vätskor i vilka nästan all kemi utspelar sig, såsom tillverk- ningen av kemiska ämnen (t.ex. mediciner), extraktioner av ämnen, eller separationer av olika ämnen. Inom framförallt läkemedelsindustrin används enorma mängder lösningsmedel, vilket är ett stort problem eftersom nästan alla vanliga lösningsmedel är giftiga, miljöfarliga, och brandfarliga. Så kallade gröna lösningsmedel, exempelvis vatten eller etanol (vanlig alkohol), räcker inte alltid till eftersom de inte har alla de olika egenskaperna som kemister och kemiindustrin behöver. Forskare har därför börjat leta efter nya alterna- tiv, i hopp om att hitta mer hållbara sätt att t.ex. tillverka mediciner på. Ett sådant alternativ som utforskas i detta arbete är så kallade koldioxidexpan- derade lösningsmedel. Koldioxid är normalt en gas, men under höga tryck så omvandlas det till en väldigt lättflytande vätska. Genom att spruta in sådan flytande koldioxid i ett lösningsmedel i en sluten, trycksatt behållare så får vi en blandning med egenskaper som kan finjusteras beroende på vad vi vill använda den till. En viktig sådan egenskap som går att kontrollera är polaritet, vilket är vad som avgör vad som kan lösas upp i ens lösningsmedel (t.ex. löser sig vatten i sprit, men inte i fett). Flytande koldioxid är väldigt likt fett, det löser sig inte bra i polära lösningsmedel som vatten, och bland- ningen skär sig. Samtidigt vill kemister ha vätskeblandningar som flyter lika lätt som flytande koldioxid, men löser upp ämnen på samma sätt som vatten. I det här arbetet blandades därför polära, vattenlika lösningsmedel med ännu ett lösningsmedel, som är likt både fett och vatten, innan den flytande koldioxiden sprutades in. Detta gjorde att blandningarna höll ihop mycket bättre, och det mättes sedan i experiment hur polära de här blandningarna var med hjälp av ett nydesignat chip ifrån en samarbetspartner på Uppsala Universitet. Eftersom sådana här så kallade koldioxidexpanderade lösnings- medel inte har forskats så mycket på ännu så jämfördes också resultaten med en matematisk modell som används för att snabbt och lätt räkna ut hur po- lär en blandning av lösningsmedel är. Blandningarna som utforskades i det här arbetet var mycket mer polära än de som utforskats i tidigare studier, och den matematiska modellen som testades fungerade väldigt bra i vissa fall, men sämre i andra. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Norberg, Mynta LU
supervisor
organization
course
KEML16 20181
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
green, analytical chemistry, co2, carbon dioxide, expanded, liquid, solvent, ethyl lactate, water, glycerol, ethanol, analytisk kemi
language
English
id
8947963
date added to LUP
2018-06-20 16:13:24
date last changed
2018-06-20 16:13:24
@misc{8947963,
  abstract     = {CO2-expanded liquids (CXLs) are a class of solvent systems that have shown great promise as a green and effective medium in synthesis, catalysis, extractions, and analytical separation methods. Unfortunately, not much information is available on the polarity and miscible compositions of CXL systems, information which is crucial for selecting the right solvent system for a particular application. Here, the relative static permittivity (εr) of a set of binary and ternary CXLs at 35◦C and 80 bars was measured, along with visually determined miscibility limits of glycerol in 10:90, 30:70, and 50:50 CO2:ethanol (by molar fraction), and glycerol and water in 10:90, 30:70, and 50:50 CO2:ethyl lactate. A novel technique for the measurement of εr was validated and applied to binary and ternary CXLs, and an additive model for approximating εr of solvent mixtures was applied to CXL systems and evaluated. Glycerol remained miscible over a large range of molar fractions in all ratios of CO2:ethanol and CO2:ethyl lactate. Water remained miscible over an even larger range of molar fractions in all ratios of CO2:ethyl lactate. The additive model was adequate for approximating εr values of the CO2+ethanol+glycerol system, but not for the systems containing ethyl lactate. The compositional dependence of εr was remarkably nonlinear for all studied ratios of CO2:ethyl lactate in the CO2+ethyl lactate+water system.},
  author       = {Norberg, Mynta},
  keyword      = {green,analytical chemistry,co2,carbon dioxide,expanded,liquid,solvent,ethyl lactate,water,glycerol,ethanol,analytisk kemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Measurement of the relative static permittivity and miscibility of ternary CO2-expanded green solvents},
  year         = {2018},
}