Základní charakteristika výzkumné činnosti Ústavu fyzikální chemie

Transkript

1 Základní charakteristika výzkumné činnosti Ústavu fyzikální chemie Základním předmětem výzkumu prováděného ústavem je chemická termodynamika a její aplikace pro popis vybraných vlastností chemických systémů a jevů v nich probíhajících. Je rozvinuto jak přímé experimentální studium, tak kritické zpracování dostupných vlastních a literárních dat (včetně vytváření databází), kdy konečným výsledkem je soubor doporučených hodnot. Získané výsledky jsou používány dále při vývoji predikčních metod. Na ústavu jsou i teoreticky a výpočetně zaměřená oddělení. Výčet konkrétních oblastí výzkumu na ústavu fyzikální chemie je následující. Termodynamické vlastnosti čistých látek Experiment: Měření tlaku nasycených par, tepelných kapacit, tepel fázových přechodů. Měření hustot kapalin v širokém intervalu teplot a tlaků (unikátní přístroj vlastní konstrukce). Měření povrchového napětí. Měření spalných tepel. Kompilace, odhady, výpočty: Kritická kompilace dostupných experimentálních dat, vytváření databází. Vývoj odhadových metod pro termodynamické vlastnosti látek. Teoretické studium statistická termodynamika, chemická fyzika, počítačové simulace: Určování termodynamických vlastností modelových a reálných čistých látek molekulárním modelováním a počítačovými simulacemi (pseudoexperimenty). Teorie integrálních rovnic, diagramové rozvoje, poruchové teorie predikce vlastností ve statistické termodynamice kapalin a plynů. Fázové rovnováhy a termodynamika roztoků včetně asociačních a komplexotvorných rovnováh Experiment: Měření limitních aktivitních koeficientů, Henryho konstant a rozdělovacích koeficientů organických látek ve vodných i nevodných rozpouštědlech (několik aparatur vlastní konstrukce). Měření aktivitních koeficientů látek v kapalných roztocích v celém koncentračním rozsahu. Měření velmi nízkých rozpustností organických látek ve vodě na aparaturách vlastní konstrukce. Experimentální studium fázových rovnováh kapalina-pára, kapalina-kapalina a pevná fáze-kapalina v relativně koncentrovaných roztocích u systémů teoretického i technologického významu. Měření hustot kapalných roztoků v širokém intervalu teplot a tlaků. Měření směšovacích a rozpouštěcích tepel v kapalných roztocích včetně velkých zředění. Měření křivek chladnutí a ohřevu pro systémy s fázovou přeměnou.

2 Kompilace, odhady, výpočty: Zobecňování popisu procesu rozpouštění organických látek ve vodě a dalších rozpouštědlech. Simultánní korelace dat o rovnováze kapalina-pára a kalorimetrických dat za účelem získat teplotní závislost limitních aktivitních koeficientů v co nejširším intervalu teplot. Vyhodnocení parciálních molárních objemů v nekonečném zředění ve vodě z měření hustot kapalných roztoků. Určování doporučených hodnot a vytváření databází a odhadových metod pro limitní aktivitní koeficienty, rozpustnosti, volumetrické i kalorimetrické vlastnosti. Termodynamická charakterizace tvorby komplexů vodíkovou vazbou a molekulární inklusí ve vodných i nevodných roztocích. Výpočet fázových rovnováh ve složitých vícesložkových systémech významných pro průmyslovou praxi. Teoretické studium - statistická termodynamika, chemická fyzika, počítačové simulace: Molekulární modelování, počítačové simulace (Monte Carlo, molekulová dynamika), rozvoj nových metod výpočtů chemických potenciálů složek. Děje na fázových rozhraních a v membránách Experiment: Měření povrchového napětí roztoků a mezifázového napětí mezi dvěma kapalnými fázemi. Experimentální studium transportu čistých látek i směsí v plynném a kapalném skupenství polymerními membránami. Pervaporační, permeační a sorpční měření (včetně kinetiky děje), stanovení mj. difúzních koeficientů a koeficientů propustnosti. Měření roztažnosti polymerních membrán. Kompilace, odhady, výpočty: Popis vzájemného ovlivňování vlastností povrchové fáze (mezifází) a fluidní objemové fáze. Zobecněný popis transportu organických látek polymerními membránami. Chemické rovnováhy Experiment: experimenty jsou prováděny na jiných ústavech VŠCHT. Kompilace, odhady, výpočty: Jsou vyvíjeny metody popisu komplikovaných chemických rovnováh ve vícesložkových technologicky významných systémech. Případné fázové rovnováhy jsou ve výpočtech zahrnuty. Podrobnější popis jednotlivých okruhů vědecké činnosti ústavu včetně uvedení kontaktů na odpovědné pracovníky zabývající se danou tematikou lze nalézt v příloze tohoto textu.

3 Možnosti aplikace Kde naše výsledky nalézají uplatnění Primární a sekundární zdroje experimentálních dat o termodynamických vlastnostech čistých látek a směsí pro chemicko-inženýrské, technologické i vývojové a výzkumné aplikace. Referenční hodnoty pro testování experimentálních metod. Podklady pro modelování a optimalizace technologických procesů. Problematika ochrany životního prostředí: podklady pro modelování transportu a osudu organických kontaminantů v životním prostředí, pro návrh dekontaminačních procesů, pro modelování hydrotermálních procesů. Praktické aplikace v bilančních výpočtech (látkové a energetické bilance). Uplatnění ve výpočtech např. hydraulických systémů. Separační technologie (podklady pro návrh a řízení separačních procesů) Hledání systému s optimálními vlastnostmi pro daný účel. Dělení směsí par, plynů a kapalin pomocí polymerních membrán (odstraňování organických par ze vzduchu, organických látek z vody nebo z půdy). Testování materiálů pro obalovou techniku. Termodynamická analýza nově navrhovaných technologických procesů (např. depozice z plynné fáze při výrobě polovodičů, příprava směsných oxidů pro výroby v oblastech od silikátů po supravodiče). Termodynamická analýza problematiky transportu zemního plynu. Cílená úprava vlastností povrchů a mezifází (vývoj adsorpčních separačních metod, popis dějů v biochemických systémech, potravinářství). Nabízené oblasti spolupráce, expertní činnosti, poradenství Expertízy a poradenská činnost v oblasti zdrojů dat. Vyhledávání a kompletace dat o termodynamických vlastnostech systémů pro definované aplikace. Kritické zhodnocení nalezených informací o termodynamických vlastnostech systémů. Vývoj matematických postupů pro vyhodnocování doporučených dat. Vypracování termodynamického rozboru zadané úlohy. Řešení problémů spojených s problematikou distribuce látek v životním prostředí. Měření tlaku nasycených par vzorků vysokovroucích látek. Měření tepelných kapacit kapalin a pevných látek. Měření vlastností charakterizující fázové rovnováhy (Henryho konstanty, rozpustnosti, rozdělovací koeficienty, limitní aktivitní koeficienty), vývoj metodiky měření těchto vlastností se zaměřením na určitý typ systémů, datové poradenství (verifikace dat, doporučená data). Měření hustoty kapalin v širokém intervalu teploty a tlaku. Poradenská a expertizní činnost v metodologii tohoto experimentu. Měření koeficientu propustnosti, rozpustnosti a difúze čistých par organických látek a jejich směsí (vč. nenasycených par) v plochých polymerních membránách. Podpora při realizacích poloprovozních membránových separačních zařízení. Měření roztažnosti polymerních membrán. Měření povrchových napětí kapalin, měření mezifázových napětí mezi dvěma kapalnými fázemi. Poradenství při řešení problémů týkajících se adsorpce.

4 Předpokládaná budoucí orientace výzkumu Budoucí zaměření ústavu vychází z dosavadních směrů výzkumu, v nichž má ústav bohaté metodické zkušenosti a znalosti i potřebné přístrojové zázemí. Jako perspektivní inovace z hlediska předmětu zkoumání bude posílen výzkum v oblasti vodných roztoků a dojde k posunu výzkumu ke studiu systémů biologického významu a studiu problematiky zelené chemie (iontové kapaliny). Kontaktní údaje Vedoucí ústavu: Sekretariát ústavu: Tajemník ústavu: Hospodář ústavu: Knihovník ústavu: Adresa poštovního styku: WWW stránky ústavu: prof. Ing. Stanislav Labík, CSc. tel.: fax: labik(zavináč)vscht.cz Marie Vacková tel.: fax: vackovm(zavináč)vscht.cz (budova A, 1.patro, místnost č.135) Ing. Karel Řehák CSc. tel.: Ing. Karel Friess, Ph.D. tel.: Ing. Dana Fenclová, CSc. tel.: Ústav fyzikální chemie Vysoká škola chemicko-technologická Technická Praha 6 Dejvice

5 Podrobný popis hlavních výzkumných aktivit na Ústavu fyzikální chemie a seznam kontaktů Vývoj databází a kritické vyhodnocování experimentálních dat pro vybrané termodynamické vlastnosti látek Kontakt: doc. Ing. Ivan Cibulka, CSc. tel.: , ivan.cibulka(zavináč)vscht.cz databáze, správa databází, vyhledávání dat, zpracování dat, kapaliny, tepelné kapacity, stavové chování, termochemické vlastnosti ideálního plynu, aktivitní koeficient, termodynamika, technologie zpracování materiálů, matematické modelování. Databázové systémy shromažďují experimentální data, která jsou rozptýlena v odborné literatuře, a umožňují jejich kritické vyhodnocení, tj. vyhodnocení doporučených hodnot na základě statistického posouzení zdrojových dat s využitím údajů o jejich přesnosti a dalších informací (čistota látky, měřicí metoda, atp.). Na pracovišti byly vyvinuty specializované databázové systémy umožňující efektivní ukládání a zpracování dat pro tepelné kapacity čistých kapalin (prof. Ing. Vlastimil Růžička, CSc, vlastimil.ruzicka(zavináč)vscht.cz), stavové chování čistých organických kapalin, tj. PVT, roztažnost, stlačitelnost, rychlost zvuku (doc. Ing. Ivan Cibulka, CSc., ivan.cibulka(zavináč)vscht.cz), termochemické vlastnosti látek ve stavu ideálního plynu (Ing. Michal Bureš, CSc., michal.bures(zavináč)vscht.cz), termodynamická data anorganických látek (MSE DATA) významných v materiálovém inženýrství (doc. Ing. Pavel Chuchvalec, CSc., pavel.chuchvalec(zavináč)vscht.cz a prof. Ing. Jindřich Leitner DrSc., jindrich.leitner(zavináč)vscht.cz), limitní aktivitní koeficienty ve dvousložkových systémech (doc. Ing. Vladimír Dohnal, CSc., vladimir.dohnal(zavináč)vscht.cz). Systémy zahrnují moduly specializované na konkrétní činnost počínaje bibliografií literatury přes kompilaci dat publikovaných v literatuře a jejich údržbu až po kritické vyhodnocování do formy doporučených hodnot. Systémy samotné nejsou komerčními produkty. Vývoj databázových systémů je koncepčně ukončený. Obsah je průběžně aktualizován nově publikovanými daty. Zmíněné databáze jsou svým rozsahem unikátní i v celosvětovém měřítku.

6 Výpočet fázových a chemických rovnováh ve složitých systémech významných pro průmyslovou praxi Kontakt: doc. RNDr. Petr Voňka, CSc., tel.: petr.vonka(zavináč)vscht.cz chemická technologie a technika, termodynamika, technologie zpracování materiálů (pevné látky, tekutiny), matematické modelování Byla vyvinuta metodika výpočtu složité chemické rovnováhy heterogenního systému buďto za podmínek pevné teploty, tlaku a vstupního složení nebo za podmínek pevného tlaku a adiabatického průběhu. Dále byla vyvinuta metodika výpočtu složité fázové rovnováhy heterogenního systému, kde neideální chování systému je popsáno pomocí stavové rovnice. Obě metody byly použity pro vytvoření počítačových programů. Metody jsou z hlediska volby systému dostatečně obecné, volba systému je omezena pouze znalostí vstupních termodynamických dat (čisté látky a směsi). Výpočty pomocí těchto metod jsou stabilní. Metodika výpočtů je průběžně aktualizována, v současné době umožňuje provádění výpočtů, kde jediným omezením je znalost vstupních termodynamických dat. Membránové separační procesy Kontakt: doc. Ing. Milan Šípek, CSc. tel.: milan.sipek(zavináč)vscht.cz separační technologie, permeabilita, difuze, sorpce, propustnost par, polymery, membrány Membránové separační procesy umožňují dělení látek s nesrovnatelně nižšími energetickými nároky vzhledem ke klasickým postupům (destilaci) a to navíc i pro systémy, kde destilace selhává, např. dělení azeotropických směsí. Laboratoř se zabývá systematickým výzkumem v této oblasti již mnoho let. Je vyvíjena unikátní měřicí technika, vypracovávány výpočetní metody pro zpracování naměřených dat a shromažďována data o transportu látek v polymerních membránách. Pracoviště je vybaveno diferenciálním permeametrem, aparaturou pro měření sorpčních dat, plynovým chromatografem a pervaporační aparaturou. Toto vybavení umožňuje přímá měření koeficientů propustnosti plynů a par zejména organických látek, nasycených i nenasycených, čistých látek i jejich směsí skrze ploché polymerní membrány do tloušťky 2 mm při teplotách od 20 do 50 C. Sorpční aparatura umožňuje přímá měření kinetiky sorpce čistých látek a sorpčních izoterem při teplotách od 20 do 45 C. Ze sorpčních i permeačních dat lze pak stanovit difuzní koeficienty čistých látek. Pervaporační aparatura umožňuje experimentální stanovení rovnovážného diagramu pro systémy: látka1 látka2 polymer při teplotách od 25 do 60 C.

7 Experimentální studium vybraných vlastností čistých látek (tlak nasycených par, tepelné kapacity, tepla fázových přechodů) Kontakt: Ing. Květoslav Růžička, CSc. tel.: kvetoslav.ruzicka(zavináč)vscht.cz termodynamika, ochrana životního prostředí, tlak par, tepelné kapacity Měření tlaků nasycených par je v nízkotenzní oblasti obtížné. Ve srovnatelné kvalitě a teplotním rozsahu není schopna v současnosti tato měření provádět žádná jiná laboratoř. Měření tepelných kapacit a entalpií fázových přechodů studovaných látek umožňuje posoudit termodynamickou konzistenci naměřených údajů a v řadě případů také provést termodynamicky podloženou extrapolaci i do oblasti velmi nízkých tlaků, kde jsou již přímá experimentální měření zatížena značnou nejistotou nebo jsou prakticky nemožná. Na pracovišti byly sestaveny dvě aparatury pro měření tlaku nasycených par statickou metodou s úhrnným teplotním rozsahem 230 až 470 K v rozsahu tlaků 1 až 1300 Pa. Měření tlaku nasycených par je doplňováno kalorimetrickými údaji (tepelnými kapacitami a entalpiemi fázových přechodů) měřenými na komerčních kalorimetrech. V současné době je v závěrečné fázi proces automatizace měření na obou aparaturách. Aparatury jsou dokonale vakuově těsné a umožňují měření i pyroforních a toxických látek. Další etapou ve vývoji bude rozšíření teplotního rozsahu až do 570 K a tlakového rozsahu do Pa. Termodynamická charakterizace procesu rozpouštění organických látek ve vodě a dalších rozpouštědlech (rozpustnosti, rozdělovací koeficienty, aktivitní koeficienty) Kontakt: doc. Ing. Vladimír Dohnal, CSc., tel.: vladimir.dohnal(zavináč)vscht.cz separační technologie, extrakce, destilace, termodynamika, rozpustnost, rozdělovací koeficient, Henryho konstanta, limitní aktivitní koeficient. Pracoviště disponuje řadou specializovaných zařízení a metod umožňujících experimentálně stanovit fázové rovnováhy ve vysoce zředěných roztocích organických látek ve vodě a dalších rozpouštědlech. Stanovit lze rozpustnosti, Henryho konstanty, rozdělovací koeficienty a limitní aktivitní koeficienty typicky v oblasti environmentálních teplot (0 50 C), ale i mimo ni. Spolehlivé stanovení teplotní závislosti je dosahováno simultánním zpracováním s kalorimetrickými daty. Rozsáhlá experimentální základna využívající různých technik (head-space analýza, stripování inertním plynem, plynová a kapalinová chromatografie, ebuliometrie) dovoluje zkoumat široký výběr systémů a kombinovat různé metodiky pro dosažení nejpřesnějšího výsledku. K dispozici je v současnosti více než deset experimentálních metod a souvisejících aparátů. Další zdokonalování existujících metod i vývoj nových technik dále pokračuje.

8 Experimentální studium volumetrických vlastností zředěných vodných roztoků v širokém intervalu teploty a tlaku Kontakt: doc. Ing. Ivan Cibulka, CSc., tel.: , ivan.cibulka(zavináč)vscht.cz hustota, vibrační hustoměr, parciální molární objem, vodné roztoky, vysoká teplota, vysoký tlak, strukturně-příspěvkové metody. Měření hustoty zředěných vodných roztoků organických látek v teplotním a tlakovém intervalu C a 0,1 30 MPa. Z naměřených dat jsou vyhodnocovány standardní parciální molární objemy. Je prováděna systematická studie směřující ke strukturněpříspěvkovým metodám odhadu standardního parciálního molárního objemu organických látek ve vodě. Přesností experimentálních dat, rozsahem stavových parametrů i studovaných látek je tato studie ojedinělá i ve světovém měřítku. Pro měření je využíváno průtokového vibračního hustoměru vlastní konstrukce pracujícího v plně automatizovaném režimu. Přístroj je využitelný pro měření hustoty i jiných kapalných systémů v širokém intervalu teploty a tlaku. Fázové rovnováhy v koncentrovaných roztocích Kontakt: Ing. Karel Řehák, CSc. tel.: karel.rehak(zavináč)vscht.cz separační technologie, extrakce, destilace, termodynamika, rozpustnost, LLE, VLE, SLE. Laboratoř se zaměřuje na měření rovnováh kapalina-kapalina, kapalina-pára a kapalinapevná fáze v celých koncentračních intervalech dvousložkových a třísložkových systémů. Experimentální technika, která zahrnuje rovnovážné aparatury převážně vlastní konstrukce, umožňuje měření v rozsahu teplot přibližně 15 až 180 C za nízkých tlaků. Pro měření rovnováh kapalina-kapalina jsou používány přímé analytické metody, metody založené na sledování vzniku druhé fáze (zákalu) a metoda objemová. Pro měření rovnováhy kapalina-pára je používán Kayův rovnovážný cirkulační přístroj. Rovnováha kapalina-pevná fáze je experimentálně studována převážně termickou analýzou. Experimentální data fázových rovnováh jsou simultánně korelována spolu s dalšími termodynamickými daty (např. směšovacími teply, limitními aktivitními koeficienty) vhodným termodynamickým modelem (např. Wilsonovou rovnicí, NRTL rovnicí, UNIQUAC rovnicí) tak, aby byl získán co nejvěrnější popis studovaných systémů. Předmětem výzkumné práce je zdokonalování experimentálních technik a snaha o zlepšení predikčních možností termodynamických modelů používaných pro popis heterogenních systémů.

9 Studium jevů na fázových rozhraních Kontakt: Ing. Štěpán Hovorka, PhD. tel.: stepan.hovorka(zavináč)vscht.cz adsorpce, mezifází, povrch, povrchové napětí, surfaktant, aktivita, chemický potenciál, roztažnost membrán Cíle prováděného výzkumu jsou: získávání nových a přesných experimentální dat o povrchovém napětí, úhlech smáčení, roztažnosti membrán, vypracování popisu vzájemného ovlivňování termodynamických vlastností v objemové kapalné fázi a povrchové fázi, vytvoření zobecněného popisu adsorpce z vodných roztoků polutantů, surfaktantů a látek zajímavých z biofyzikálního hlediska na mobilních a pevných fázových rozhraních na základě simultánního zpracování experimentálních údajů, molekulárních parametrů a modelových představ o mezifází. Do skupiny látek zajímavých z biofyzikálního hlediska jsou zatím zahrnuty modelové látky, které jsou zabudovány ve struktuře peptidů a proteinů (případně tuků a cukrů), v budoucnu budou studovány přímo i tyto složité látky, získání poznatků o příčinách dějů v povrchových fázích na molekulární úrovni (struktura, orientace, silové působení), získání relevantních dat pro petrochemický průmysl u nevodných systémů s oblastí omezené mísitelnosti (např. alkany+glymy) měřením koncentrační závislost povrchového napětí v širokém rozmezí koncentrací a případně i fázové rovnováhy kapalina-kapalina, vypracování vhodného modelu pro popis roztažnosti membrán v iontových rozpouštědlech. Jedná se o projekt ve spolupráci s portugalskou univerzitou a AV ČR. Pro experimentální studium adsorpce na mobilních mezifázových rozhraních jsou v současnosti na ústavu fyzikální chemie k dispozici přístroje na měření povrchového napětí metodou odtrhávání prstence, metodou maximálního přetlaku v bublině a kapilární metodou v teplotním intervalu 0 60 C. V dohledné budoucnosti bude postaven přístroj na měření smáčecích úhlů a přístroj na měření povrchového napětí metodou měření rozměrů přisedlé nebo visící kapky. Tato metoda pro měření povrchového napětí je velmi vhodná pro roztoky látek, které pění, či potřebují velmi dlouhý čas k ustavení rovnováhy v mezifází a bude tedy vhodně doplňovat metody, které už jsou na ústavu fyzikální chemie k dispozici. Při plnění cílů v oblasti studia adsorpce na mobilních i pevných mezifázových rozhraních jsou používány mj. informace získané teoretickými pracovišti Ústavu fyzikální chemie (zapojení metod kvantové mechaniky a statistické termodynamiky pro posouzení mezimolekulárního působení a strukturních efektů). Dále jsou využívány poznatky laboratoří fázových rovnováh Ústavu fyzikální chemie o aktivitě látek v kapalných roztocích, neboť to jsou nepostradatelné informace při hledání popisu vztahů mezi termodynamickými vlastnostmi v objemové a povrchové fázi. Teoretické a experimentální údaje o známých vlastnostech objemových a povrchových fází a o vlastnostech molekul jsou pak simultánně zpracovávány za účelem generalizace a predikce pro vodné i nevodné systémy.

10 V oblasti studia roztažnosti membrán v iontových rozpouštědlech budou ve spolupráci s portugalskou univerzitou, která vyrobí a dodá iontová rozpouštědla, provedena měření na přístroji vlastní konstrukce, který je v současnosti ve stavbě. Statistická termodynamika kapalin a plynů Kontakt: prof. Ing. Anatol Malijevský, CSc. tel.: anatol.malijevsky(zavináč)vscht.cz Statistická termodynamika, Monte Carlo, molekulová dynamika, párový potenciál, trojčásticové potenciály, mezimolekulové korelační funkce, radiální distribuční funkce, můstková funkce, Ornsteinova-Zernikeho integrální rovnice, diagramová analýza, funkcionál hustoty, fundamentální míra Oddělení se zabývá fundamentálními problémy popisu termodynamických veličin a veličin charakterizujících vnitřní strukturu plynů, kapalin a jejich směsí na základě interakcí mezi molekulami. V rámci tohoto oboru si klademe dva cíle: Pochopení molekulové podstaty termodynamického chování makroskopických systémů zde vycházíme z modelů silového působení mezi molekulami. Predikce vlastností reálných čistých látek a směsí na základě dat o párových a trojčásticových potenciálech. Příkladem jsou na jedné straně "state-of-the-art" kvantově-chemické ab initio potenciálové hyperplochy, na straně druhé primitivní a sofistikované modely vody na molekulární úrovni. Výzkum v této oblasti je celosvětově otevřený a dlouhodobě perspektivní. Domníváme se, že naše pracoviště v něm hraje nezanedbatelnou roli.