Методы измерение концентрации, состава и свойств вещества

 

 

Содержание

 

 

 

Перечень используемых условных обозначений, сокращений, терминов

 

ЦБП - целлюлозно-бумажная промышленность;

ЦБК - целлюлозно-бумажный комбинат;

САР – система автоматического регулирования;

ЧПУ - числовое программное управление;

ПЛК – программируемый логический контроллер;

ШД – шаговый двигатель;

ПК – персональный компьютер;

ЗР – устройство, задающее режим работы;

Р – регулятор;

СУ – система управления;

ЭД – электродвигатель;

РО – регулирующий орган;

ОУ – объект управления.

 

 

Введение

В ЦБП почти во всех технологических процессах возникает необходимость измерения и контроля малых и больших концентраций веществ в водных растворах, преимущественно достаточно сложных по своему составу.

При анализе свойств и состава вещества в ЦБК производят измерения:

• концентрации одной жидкости или газа в смеси других жидкостей или газов;
• концентрации ионов водорода в растворах или расплавах;
• концентрации твердых частиц, пузырьков газа, капель жидкости в жидкости или газе;
• количества влаги в газе, жидкости или твердом теле;
• качественных показателей бумаги и картона (белизна, просвет, воздухопроницаемость, зольность, электроизоляционные свойства и др.);
• плотности массы определенных объемов и площадей.

В данной курсовой работе  предлагается разработать контур регулирования концентрации с системой дозирования реагента на базе экспериментальной установки имитации работы технологических процессов подготовки бумажной массы ООО «Пермский картон», выбрать реагент, концентрацию которого необходимо было бы регулировать, и на базе наиболее распространенных электрических методов анализа веществ выбрать соответствующие средства измерения концентрации вещества.

 

1 Методы измерение концентрации, состава и свойств вещества

Ниже рассмотрены некоторые, наиболее распространенные электрические методы анализа веществ и соответствующие средства измерений [1], которые в зависимости от используемых физико-химических явлений или их сочетания разделяются на электрохимические, электрофизические, оптические и др.

 

1.1 Электрохимические  методы

Электрохимические методы –  методы, основанные на измерении электрических параметров электрохимических явлений, возникающих в исследуемом растворе. В общем случае различают две группы электрохимических методов:

1) Потенциометрические методы – методы без наложения постороннего потенциала, основанные на измерении разности потенциалов, которая возникает в электрохимической ячейке с исследуемым раствором. В потенциометрических методах используют зависимость потенциала электродов от концентрации ионов в растворе [2]. Наиболее часто потенциометры применяют для прямых измерений рН, показатели концентраций других ионов pNa, pK, pNH₄, pCl и мВ.

2) Методы с  наложением постороннего потенциала, основанные на измерении: а) электрической  проводимости растворов – кондуктометрия; б) количества электричества, прошедшего через раствор – кулонометрия; в) зависимости величины тока от приложенного потенциала – вольтамперометрия; г) времени, необходимого для прохождения электрохимической реакции – хроноэлектрохимические методы  (хроновольтамперометрия, хронокондуктометрия).

 

 

1.2 Электрофизические  методы

Электрофизические методы основаны на использовании зависимостей физических свойств раствора от концентрации отдельных компонентов. Электрофизические методы основаны на измерении:  а) теплопроводности – тепловой метод; б) магнитной проводимости - магнитный метод.

 

1.3 Ионизационные  методы

Ионизационные методы основаны на ионизации анализируемого раствора и измерении ионного тока, пропорционального концентрации определяемого компонента.

 

1.4 Оптические  методы

Оптические методы основаны на взаимосвязи параметров оптического излучения с составом или свойством анализируемой жидкости. К оптическим методам относятся: фотометрические методы, нефелометрия и турбидиметрия, рефрактометрия, поляриметрия, спектральный и люминесцентный анализы.

К фотометрическим методам относят спектрофотомерию и фотоколориметрию, основанных на измерении поглощения света определяемым веществом в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

В основе нефелометрии и турбидиметрии лежит явление рассеяния или поглощения света твёрдыми или коллоидными частицами, находящимися в растворе. Нефелометрия основана на измерении интенсивности светового потока, рассеянного твёрдыми частицами, находящимися в растворе; турбидиметрия основана на измерении ослабления интенсивности светового потока, прошедшего через раствор, содержащий твёрдые частицы (интенсивность уменьшается вследствие поглощения и рассеяния светового потока). 

Спектральный анализ  - качественный и количественный анализ состава вещества, основан на исследовании его оптических спектров. Различают атомный, эмиссионный, спектральный (по оптическим спектрам испускания атомов), атомно-абсорбционный (по оптическим спектрам поглощения атомов) анализы. Качественный анализ производят по положению спектральных линий, количественный - по их интенсивности.

Люминесцентные методы анализа состава вещества основаны на люминесценции - свечении под воздействием облучения светом, электронами, в результате химических реакций и т. д. В зависимости от длительности свечения различают флюоресценцию и фосфоресценцию. Количественный анализ осуществляют на основе зависимости интенсивности флюоресцентного излучения от концентрации вещества.

 

1.5 Механические методы

Механические методы основаны на взаимосвязи молекулярно-механических свойств жидкости с составом анализируемой жидкости. В основе механических методов лежит зависимость: а) между крутящим моментом, передаваемым анализируемой жидкостью чувствительному элементу, и вязкостью жидкости; б) между степенью погружения поплавка и плотностью; в) между скоростью движения шарика в жидкости и вязкостью жидкости; г) между частотой и амплитудой вынужденных колебаний тела, связанного с анализируемой жидкостью, и вязкостью жидкости, и др.

 

1.6 Комбинированные методы

К комбинированным методам относятся: масс-спектрометрический метод, хроматографический метод.

1. Хроматографический метод основан на разделении и анализе многокомпонентных смесей нелетучих веществ в растворах. Жидкостная хроматография разделяется на жидкостно-адсорбционную (разделение соединений происходит за счёт их различной способности адсорбироваться и десорбироваться с поверхности адсорбента), жидкостно-жидкостную, ионообменную хроматографию.

2) Масс-спектрометрический  метод основан на ионизации анализируемого вещества и разделении ионов на отдельные пучки по компонентам, отличающимся отношением массы иона к его заряду. В зависимости от способа разделения ионов масс-спектрометры делятся на магнитные с разделением ионов в магнитном поле, времяпролетные с разделением ионов по времени их пролета от источника до коллектора ионов и радиочастотные с разделением ионов под воздействием высокочастотных электрических полей.

 

2 Выбор реагента для технологического  процесса

Поскольку получать бумажную массу на экспериментальной установке не представляется возможным, возникает необходимость заменить бумажную массу реагентом, и проводить измерение концентрации выбранного реагента, растворенного в воде.

Выбор реагента должен производиться на основании предложенных выше методов, т.е. реагент должен менять одно из свойств водного раствора, которое лежит в основе метода. Такими свойствами могут быть: проводимость (концентрация ионов в растворе), теплопроводность, вязкость, мутность (содержание коллоидных частиц в растворе), плотность, цвет, магнитная проводимость раствора и т.д. При выборе реагента также следует учитывать его доступность, безвредность для человека. Водный раствор реагента должен быть безопасен для установки и экологически безвредным при утилизации. Преимущество отдается сыпучим реагентам.

 

2.1 Проводимость  и водные растворы электролитов

Электролитами называются вещества, которые в расплавленном или растворенном состоянии проводят электрический ток. В воде электролит распадается на ионы и изменяет проводимость воды. Процесс распада вещества на ионы получил название электролитической диссоциации.

В растворах некоторых электролитов диссонирует лишь часть молекул. Для количественной оценки процесса диссоциации вводится понятие степени электролитической диссоциации [3]. Отношение числа молекул, диссоциированных на ионы, к общему числу молекул растворенного электролита называется степенью диссоциации. По степени диссоциации в растворах все электролиты делятся на две группы. К первой относят электролиты, степень диссоциации которых в  растворах равна единице и почти не зависит от концентрации раствора. Их называют сильными электролитами. К сильным электролитам в водных растворах принадлежит подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты. Электролиты, степень диссоциации которых в растворе меньше единицы и уменьшается с ростом концентрации, называют слабыми электролитами.

Для 0,1н. растворов электролитов при 18 °С значения степени диссоциации α приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 Степени диссоциации  0,1н. растворов электролитов при 18 °С

Сильные электролиты	Значение α, %	Средние электролиты	Значение α, %	Слабые электролиты	Значение α, %
Кислоты
HCl	92	H2SO3	34	HF	8,5
HBr	92	H3PO4	27	CH3COOH	1,3
HI	92			H2CO3	0,17
HNO3	92			H2S	0,07
H2SO4	58			H3BO3	0,01

 

Окончание таблицы 2.1

Сильные электролиты	Значение α, %	Средние электролиты		Значение α, %	Слабые электролиты	Значение α, %
Основания
Ba(OH)2	92				NH4OH	1,3
KOH	89
NaOH	84
Соли
KCl	86	ZnSO4		40
NH4Cl	85	CuSO4		40
NaCl	84	ZnCl2		35
KNO3	83
AgNO3	81
CH3COONa	79
Na2SO4	69

 

Рассмотрим все элементы, которые относятся к сильным электролитам:

Гидроксид бария Ba(OH)2 –  одно из сложных неорганических веществ. Гидроксид бария при стандартных условиях представляет собой бесцветные кристаллы. Насыщенный раствор гидроксида бария называют баритовой водой. Растворим в воде. Недостатки: токсичен, гигроскопичен (способен поглощать водяные пары из воздуха).

Гидроксид калия K(OH) и гидроксид натрия Na(OH) – сильные химические основания. При стандартных условиях представляют собой бесцветные, очень гигроскопичные кристаллы. Недостатки: действуют на кожу и слизистые оболочки прижигающим образом. Особенно опасно попадание даже малейших частиц гидроксида калия в глаза, поэтому все работы с этим веществом должны проводиться в резиновых перчатках и очках.

Хлорид калия KCl – калиевая соль соляной кислоты. Образует белое кристаллическое вещество без запаха. Растворима в воде.

Хлорид натрия NaCl – натриевая соль соляной кислоты, хлористый натрий. Хлорид натрия известен в быту под названием поваренной соли, основным компонентом которой он является. Растворима в воде. Чистый хлорид натрия имеет вид бесцветных кристаллов.

Хлорид аммония NH4Cl — соль аммония, белый кристаллический слегка гигроскопичный порошок без запаха. Растворим в воде.

Недостатком данных солей является то, что при растворении в воде активируются коррозионные действия иона Сl-, т.к. ионы Сl-, Вr-, І- во многих случаях являются активаторами коррозии.

Нитрат калия KNO3 – неорганическое бинарное соединение, калиевая соль азотной кислоты. Нитрат калия в нормальных условиях представляет собой бесцветные кристаллы (в измельченном состоянии белый порошок). Слегка гигроскопичен, склонен несильно слеживаться со временем. Не имеет запаха, нелетуч. Практически не токсичен для живых организмов (малотаксичен).

Ацетат натрия CH3COONa – натриевая соль уксусной кислоты, производится и широко применяется в промышленных масштабах. Ацетат натрия представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, обладающее слабым запахом уксусной кислоты. Кристаллы его мало растворимы в спирте и эфире, но хорошо растворяются в воде, образуя раствор ацетата натрия. Не горючие, обладают низкой токсичностью. Ацетат натрия известен как пищевая добавка E262 и применяется как консервант.

Сульфат натрия Na2SO4 – натриевая соль серной кислоты. Бесцветные кристаллы. Безводный Na2SO4 устойчив выше температуры 32,384 °C, ниже этой температуры в присутствии воды образуется кристаллогидрат Na2SO4·10H2O  (глауберова соль- твердая, кристаллическая структура). Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E514.