在线红外光谱仪测量反应转化率案例

一.实验部分

1.1 采用仪器为ATR-FTIR在线红外光谱仪，测量反应为苯乙烯单体合成聚苯乙烯。
1.2 具体实验流程:1.2.1反应原理

图1 苯乙烯制备聚苯乙烯反应原理

1.2.2 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℃下氮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
2.1 采空气背景

图2 聚苯乙烯合成过程红外空气背景峰

2.2 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。得到的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-1，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

3.1 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的吸光度值逐渐减小；采用公式a=(A_0-A_t)/A_0 ×100%计算转化率,其中A_0代表t=0时刻的C=C双键吸收峰峰高值，A_t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)；
A_0=0.035442；
A_t=0.024972（反应最终时刻吸光度值）；
a=(A_0-A_t)/A_0 ×100%=29.54%

3.2 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a=(c_o-c_t)/c_o ×100%计算反应转化率,该方法较为复杂,但是准确率较高。

实验测量的实时浓度变化如下图：