Gdy reakcje są przeprowadzane z hydrofilowym katalizatorem i hydrofobowym substratem w celu utworzenia produktu hydrofobowego, dość często stosuje się mieszane rozpuszczalniki w celu uzyskania jednorodnego systemu reakcji. Na przykład woda THF i woda acetonitrylowa są zwykle mieszanymi nośnikami rozpuszczalników dla tych jednorodnych procesów reakcyjnych. Idealnie byłoby opracować proces, w którym reakcja odbywa się w jednorodnych warunkach, po której następuje indukowany podział fazy w celu oddzielenia składników wodnych i organicznych rozpuszczalników. Katalizator hydrofilowy znajdowałby się wówczas w fazie wodnej, a produkt hydrofobowy w fazie organicznej. Cały proces umożliwiłby łatwą separację/izolację produktu i sposób na recykling katalizatora. Organiczne wodne rozpuszczalniki przestrajalne (OATS) stanowią narzędzie do realizacji tej strategii. Pierwszym krokiem w kierunku opracowania OATS było zrozumienie zachowania fazowego wodnego roztworu organiczno-wodnego w funkcji proporcji substancji organicznych do wody, ciśnienia CO2 i temperatury. Skuteczność rozdzielania faz po dodaniu CO2 (tj. rozpuszczalność krzyżowa w każdej fazie) jest ważna do ilościowego określenia. W rzeczywistości z punktu widzenia procesu, rozpuszczalność krzyżowa może przekładać się bezpośrednio na straty produktu i katalizatora w niepożądanych fazach. Dlatego znajomość składu fazowego w funkcji ciśnienia jest kluczową informacją dla zastosowań "w świecie rzeczywistym". Dostępne są metody pobierania próbek; 5-7 Bezpośrednie pobieranie próbek z układów wysokociśnieniowych może jednak zmienić równowagę układu i spowodować separację faz lub migotanie w wyniku nagłych zmian ciśnienia lub temperatury w przewodzie pobierania próbek. Dlatego preferowana była metoda, która nie zaburza pracy systemu i umożliwia szybkie pozyskiwanie i odtwarzalność danych. Wysokociśnieniowy aparat szafirowy jest rzeczywiście wszechstronnym narzędziem do pomiaru zachowania fazowego bez pobierania próbek. Za pomocą cewtometru można rejestrować bardzo precyzyjne pomiary objętości. Te eksperymentalne pomiary objętości są następnie wykorzystywane z sześciennym równaniem stanu Penga-Robinsona (modyfikacje Stryjka i Very) oraz zmodyfikowanymi regułami mieszania Hurona-Vidala w celu efektywnego obliczenia rozszerzalności objętości i składu fazowego w funkcji temperatury i ciśnienia8-10. Technika ta została specjalnie zaprojektowana do pomiaru równowagi fazowej układów para-ciecz-ciecz. Należy podkreślić, że komórka szafirowa nie nadaje się do badania systemów, które zawierają ciała stałe. Dane uzyskane za pomocą wysokociśnieniowej szafirowej komórki pomogły w wyborze warunków eksperymentalnych dla reakcji, separacji i recyklingu katalizatorów za pośrednictwem OATS. Ponadto ogniwo szafirowe wykorzystano również do (1) pomiaru rozszerzania się rozpuszczalnika (lub pęcznienia) w funkcji ciśnienia CO2 z rozpuszczalnikami organicznymi i cieczami jonowymi, (2) określenia podziału katalizatora w układach wielofazowych w funkcji ciśnienia, układu rozpuszczalnika i temperatury oraz (3) zrozumienia zachowania faz w złożonych układach reakcyjnych prowadzonych pod ciśnieniem. W niniejszym dokumencie przedstawiamy (1) opis wysokociśnieniowej aparatury szafirowej, (2) możliwe ograniczenia i środki ostrożności, (3) jej protokół działania oraz (4) konkretne wyniki dowodu zasadności.
Wysokociśnieniowa komórka szafirowa omówiona powyżej została wykonana na zamówienie (Rysunek 1). Komórka równowagi składa się z pustego szafirowego cylindra (50,8 mm średnicy zewnętrznej x 25,4±0,0001 mm średnicy wewnętrznej x 203,2 mm dł.). Komórka jest podzielona na dwie komory oddzielone tłokiem. Dolna komórka zawiera wodę używaną jako płyn pod ciśnieniem (barwioną na niebiesko w celach demonstracyjnych), a górna komórka zawiera składniki równowagi (ryc. 2). Wanna powietrzna została wykonana na zamówienie z pleksiglasu, aby pasowała do konkretnego ustawienia i rozmiaru okapu. Ogniwo jest umieszczone w łaźni powietrznej o kontrolowanej temperaturze, która jest utrzymywana za pomocą cyfrowego regulatora temperatury. Temperatura kąpieli powietrznej jest monitorowana za pomocą termopar (typ K) i odczytów cyfrowych. Wewnątrz szafirowej celi znajduje się dodatkowa termopara (typ K), która jest również monitorowana za pomocą cyfrowego odczytu. Ciśnienia mierzono za pomocą przetwornika ciśnienia i odczytu cyfrowego. Do pracy potrzebne były dwie wysokociśnieniowe pompy strzykawkowe o pojemności 500 ml, zdolne do utrzymania ciśnienia do 10 MPa. Pierwsza wysokociśnieniowa pompa strzykawkowa zawiera wodę, która jest używana do zwiększania ciśnienia w systemie. Druga pompa wysokociśnieniowa została użyta do wprowadzenia CO2 (lub innego gazu) do systemu. Wlot gazu znajduje się w górnej części szafirowego ogniwa. Ciśnienie jest kontrolowane za pomocą wysokociśnieniowej pompy strzykawkowej w celu uzyskania równowagi ciśnienia po obu stronach tłoka. Cela jest zamontowana na obracającym się wale, a mieszanie odbywa się poprzez ręczne obracanie całej komórki.
Objętości cieczy i pary są obliczane poprzez pomiar wysokości menisku za pomocą cetetometru mikrometrycznego. W przypadku przemieszczeń mniejszych niż 50 mm dokładność wynosi 0,01 mm; W przypadku większych przemieszczeń dokładność wynosi 0,1 mm.