Методы измерение концентрации, состава и свойств вещества

2.2 Вязкость

Загустители – вещества, увеличивающие вязкость растворов. Загустители по химической природе представляют собой линейные или разветвленные полимерные цепи с гидрофильными группами, которые вступают в физическое взаимодействие с водой. Состав загустителей представлен пищевыми добавками из ряда Е400-Е499 и E1000-E1451. В качестве реагента к данной установке рассмотрим лишь некоторые из них:

Крахмал – безвкусный аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде набухает (растворяется), образуя коллоидный раствор.

Гуаровая камедь – порошок, который является стабилизатором, загустителем и уплотнителем. Камедь легко растворятся в холодной и горячей воде, набухает, образуя коллоидный раствор.

Метилцеллюлоза и гидроксипропилметилцеллюлоза  –  белый загуститель, который растворяется в холодной воде (но не растворяются в горячей) с образованием вязких растворов. Вязкость растворов этих производных целлюлозы, зависящая от их концентрации.

Альгинат калия – калиевая соль альгиновой кислоты. Легко растворяется в воде и при этом получается высоковязкий раствор.

Недостаток загустителей: использование загустителей в данной установке не возможно, т.к. насосы имеют не достаточную мощность, а маленький диаметр труб не позволяет использовать вязкие среды.

 

2.3 Мутность

Мутность воды – показатель, характеризующий уменьшение прозрачности воды. Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей. В качестве мелкодисперсных примесей могут выступать нерастворимые или коллоидных частиц различного происхождения, в частности пигменты.         

Пигменты –  высокодисперсные порошкообразные красящие вещества, практически нерастворимые в воде. В настоящее время пигменты получили широкое распространение в промышленности. В качестве реагента к данной установке рассмотрим наиболее доступные пигменты:

Цинковые белила ZnO –  искусственный минеральный пигмент чисто-белого цвета, имеет высокий коэффициент яркости (98–99%) и активно поглощает УФ-лучи. Бесцветный кристаллический порошок, нерастворимый в воде. Компонент слабо токсичен.

Бланфикс BaSO4  –  сульфат бария. Сульфат бария часто используется в качестве белого пигмента или как наполнитель в производстве белил. Бланфикс не растворим в воде, кислотах и щелочах. Как и цинковые белила используется для малярных работ.

Гашеная известь Ca(OH)2   – гидроксид кальция. Химическое вещество, сильное основание. Представляет собой порошок белого цвета, плохо растворимый в воде. Известь, взмученную в воде, используют для работ по штукатурке и цементу.

Мел  –   осадочная горная порода белого цвета, мягкая и рассыпчатая, нерастворимая в воде, органического происхождения. Хорошо измученный мел представляет собой тонкий порошок чисто-белого цвета. Его применяют в качестве дешевого пигмента для клеевых покрасок.

Недостаток пигментов: использование реагентов подобного типа является не оптимальным решением. Так как пигменты не растворимы или плохо растворимы в воде, то часть реагента будет выпадать в осадок, что будет вызывать засорение установки.

 

2.4 Цвет

Красители –   химические соединения, используемые для придания окраски различным материалам. В качестве реагента необходимо рассматривать водорастворимые красители [4]. К водорастворимым красителям можно отнести пищевые красители Е100-Е199.

Прямые красители – анионные водорастворимые красители, окрашивающие целлюлозные волокна непосредственно в нейтральных или слабощелочных растворах. Производятся прямые красители в виде Na-солей (реже - аммониевых или калиевых), диссоциирующих в воде с образованием окрашенных анионов.

Активные красители – водорастворимые красители, используют для крашения целлюлозных, белковых и полиамидных волокон. При крашении лишь часть красителя (до 30%) взаимодействует с водой.

Кислотные и протравные красители –  кислотные красители растворимы в воде благодаря наличию групп SO3M (реже COOM, где М — Na, К или NH4), SO2NH2, SO2CH3 и др., к ним относятся антрахиноновые красители и азокрасители. Применяются в основном для крашения белковых и полиамидных волокон, бумаги, древесины и др. материалов. Краситель растворяют в горячей воде при температуре 80-90°С.

Основные красители -  водорастворимые соли органических оснований, диссоциирующие в воде с образованием окрашенного катиона и бесцветного аниона [Сl-,  НСОО-, СН3СОО- и др.]. Природа аниона влияет на растворимость основных красителей вводе. Наиболее растворимы формиаты и ацетаты. Основные красители обладают большой красящей способностью, яркостью. Краситель растворяют в горячей воде при температуре 90-95°С.

Хна – самый распространенный натуральный краситель. Представляет собой порошок рыжего оттенка. Растворим в воде.

Басма – это серовато-зеленый порошок из листьев индиго, растущего в тропическом климате. Представляет собой натуральную растительную краску, содержащую биологически активные вещества. Растворима в воде.

2.5 Выбор реагента

Сведем результаты анализа реагентов в таблицу А.1.

В результате проведённого сравнительного анализа было решено отдать предпочтение соли KNO3, т.к. она соответствует всем требованиям, предъявленными нами. Нитрат калия является наиболее доступным и дешевым, среди рассматриваемых реагентов, т.к. широко используется в сельской промышленности в качестве удобрения. Кроме того использование данного реагента позволит существенно снизить стоимость проекта при выборе датчика измерения концентрации.

 

2.6 Нитрат калия (KNO3)

Нитрат калия, азотнокислый калий (калиевая селитра, калийная селитра, индийская селитра и др.)  - представляет собой белые кристаллы или порошок с желтовато-сероватым оттенком, без запаха. Калиевая селитра хорошо растворяется в воде. Практически не токсичен для живых организмов (воздействие может вызвать лишь раздражение с минимальными остаточными повреждениями). Плотность 2,109 г/см³. Температура плавления - 334° C, температура кипения (разлагается) - 400° C.

Применение калиевой селитры:

В сельском хозяйстве калиевая селитра применяется в качестве удобрения для растений. Содержание калия - около 44%, содержание азота - около13%. Кроме того, калиевая селитра применяется в электровакуумной промышленности и оптическом стекловарении, в производстве дымных порохов и специальных пиротехнических смесей, при производстве спичек, эмалей, теплоносителей, в металлургии для закалки металлов и др. В пищевой промышленности нитрат калия пищевой (консервант Е252) применяется для консервирования различных продуктов.

Калиевая селитра должна храниться в закрытом складском помещении в упакованном виде. Не допускается погрузка, разгрузка, перевозка и хранение калиевой селитры совместно с горючими веществами, минеральными кислотами, а также засорение или смешивание продукта с

древесными опилками, соломой, углем, торфом и другими органическими веществами во избежание пожара и взрыва. 
Срок хранения продукта не ограничен.

Результаты растворимости KNO3 в воде представлены в таблице 2.3.

 

Таблица 2.3  Растворимость KNO3 в воде

Температура, °С	0	10	20	25	30	40
Растворимость на 100 г H2O, г	13,9	21,2	31,6	37,9	46,0	61,3
Температура, °С	50	60	70	80	90	100
Растворимость на 100 г H2O,  г	106,2		166,6		245,0	106,2

 

 

3 Выбор  датчика концентрации для экспериментальной  установки

В результате анализа методов измерения концентрации водных растворов различных химических реагентов и красителей, в качестве реагента для учебно-экспериментальной установки была выбрана соль KNO3. Следовательно, для измерения концентрации солевого раствора можно применить наиболее простой и доступный способ измерения концентрации по электропроводности раствора [6]. Этот метод основан на зависимости электропроводимости веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов. Кондуктометрический метод широко применяется для измерения концентрации солей, оснований и кислот в жидких растворах и расплавах, для измерения солености воды, для измерения влажности в твердых, газообразных и жидких средах.

Приборы, основанные на этом методе, называются кондуктометрическими концентратомерами (кондуктометрами) или соленомерами.

Один из возможных вариантов данного прибора мог стать самодельный кондуктометр, разработка которого представлена в данной работе.

 

3.1 Разработка  самодельного кондуктометра

Данным кондуктометром измеряется непосредственно сопротивление пробы воды [5]. Прибор сделан на распространенной микросхеме К157УД2, которая представляет собой два операционных усилителя. На первом собран генератор переменного тока, на втором – усилитель по стандартной схеме, с которого снимаются показания цифровым или аналоговым вольтметром.

Питание схемы осуществляется от маломощного стабилизированного блока питания +/- 15В. Работоспособность микросхемы сохраняется при уменьшении напряжения до +/- 5В. Печатная плата прибора представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Печатная плата прибора

Элементная база:

Диод VD1; конденсаторы С1, С2 – 0,1 мкФ, С3, С4 – 30 пФ, С5-10 мкФ; сопротивления R1, R2 – 1,8 кОм, R3 – 22 кОм, R4, R7 – 51 кОм, R5 - 100 Ом, R6 (переменное) – 4,7 кОм, R8 – 3,9 кОм; микросхема К157УД2.

Настройка прибора:

Прибор показывает на экране вольтметра напряжение в вольтах. Чтобы перевести его в сопротивление воды в измерительной емкости необходимо

снять график U=f(R). График зависимости U=f(R) представлен на рисунке 3.2. 

Составляется такой график с помощью резисторов с известным сопротивлением, подключая их вместо измерительной емкости. Для того чтобы выходной сигнал соответствовал 0 – 10 Вольт, вместо измерительной емкости подключить резистор 1,8 кОм, и переменным резистором R6 установить на выходе прибора напряжение 10,0 Вольт. Зависимость U=f(R) представлена таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 Зависимость R=f(U)

R, кОм	1,8	1,9	2,0	2,1	2,2	2,4	2,6	2,8	3,1	3,4	3,7
U, В	10	9,5	9,0	8,5	8,0	7,5	7,0	6,5	6,0	5,5	5,0
R, кОм	44,1	4,6	5,2	6,0	7,0	8,4	10,4	13,9	20,8
U, В	4,5	4,0	3,5	3,0	2,5	2,0	1,5	1,0	0,5

 

Рисунок 3.2 – График зависимости напряжения от сопротивления воды

Полученный по оси «Х» результат отражает сопротивление воды (кОм) в измерительной емкости. Эта величина обратно пропорциональна электропроводности воды:

R = 1/S,                 (1)

где R- сопротивление воды, S- электропроводность

Чтобы перевести это значение в удельную электропроводность (мкСм/см) нужно ввести поправочный коэффициент (К). Приготовить 0,01 М раствора хлорида калия (KCl) и измерьте его сопротивление RKCl (в кОм). Коэффициент определяется по формуле:

К  = RKCl · λKCl (2)

где λKCl, – удельная электропроводность 0,01М раствора KCl при данной температуре в мкСм/см, приведенная в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 Зависимость λKCl 0,01М раствора KCl от температуры

Температура, оС	λKCl (мкСм/см)
20	1278
21	1305
22	1332
23	1359
24	1386
25	1447