在线红外测量反应转化率实例

一、实验部分

1. 采用仪器为ATR-FTIR，测量反应为苯乙烯单体合成聚苯乙烯。

2. 具体实验流程：

   2.1反应原理

   

   图 1 苯乙烯制备聚苯乙烯反应原理

   2.2实验方法

   在三口烧瓶中放入150g无水乙醇作为反应溶剂，加入一定量的苯乙烯单体，在70℃下氨气保护一定时间后加入引发剂AIBN，反应4-5h，反应过程中用在线红外实时监测吸光度变化。反应最终得到的产物为聚苯乙烯。

二、在线红外建模过程

1. 采空气背景

图 2 聚苯乙烯合成过程红外空气背景峰

2.标定一系列浓度梯度

本实验选取了m（苯乙烯）：m（乙醇）=0:150；5:150；10:150；20:150；30:150；40:150；50:150；一共7个梯度。得到不同浓度下的全谱如下图：

图 3 苯乙烯在乙醇溶剂中的吸收峰全谱

选择部分图谱为特征峰，本实验选取C=C双键特征峰，波数为1633.82cm。图谱如下：

图 4 不同浓度及聚合实验里苯乙烯C=C双键在乙醇溶剂中的吸收峰

可以明显看到，随着苯乙烯浓度的变化，C=C双键的峰值有了明显的变化。

三、转化率的计算方法

1. 采用吸光度值变化为依据的计算方法：                                                                                                                                      随着反应的进行，体系中C=C双键的吸光度值逐渐减小；采用公式

   
   计算转化率，其中A0代表t=0时刻的C=C双键吸收峰高值，At代表t时刻C=C双键吸收峰峰高值。由于只选取一个特征峰峰高值计算，误差相对较大。                                                                                                                                                                        对于本实验：特征峰选取为C=C吸收峰，波数为1633.82cm-1；                                                                                    A0=0.035442；  

At=0.024972（反应最终时刻吸光度值）；

2.采用浓度变化为依据的计算方法:

经过PLS建模后，可以选取一个或多个峰值进行标定建模，从而得到不同反应时候对应的反应物浓度值。随着反应的进行，体系中C=C的浓度值逐渐减小；可以利用公式

实验测量的实时浓度变化如下图：

图 5 实验数据采集及实时浓度显示

该实验所建模型的R2=0.99976，具体如下图所示：

图 6 聚苯乙烯合成实验浓度预测模型的R2数据

对于本实验，由该模型测得的数据为;

C0=0.3426g(苯乙烯)/g（乙醇）=0.2552g（苯乙烯）/g（溶液）；

Ct（反应最终时刻浓度值）=0.2599g（苯乙烯）/g（乙醇）=0.2063g（苯乙烯）/g（溶液）；