Концентрация

Сложности инструментального контроля концентрации в текстильной промышленности обусловлены тем, что рабочие растворы загрязнены механическими примесями (пух, нити, инкрусты), многокомпонентны, вспенены и имеют разную температуру. Кроме того, имеются трудности при размещении в машинах датчиков, так как емкости заняты движущимся материалом, каретками для патронов с пряжей и т.д.

Концентрацию раствора контролируют с помощью кондуктометрического, денситометрического, оптического, радиоизотопного методов или титрования при прямом способе регулирования, а также косвенным способом (без контроля концентрации).

Кондуктометрический метод контроля концентрации основан на зависимости удельной электрической проводимости раствора от его концентрации. Эта зависимость имеет экстремум. Для всех растворов электролитов эквивалентная проводимость возрастает с разбавлением из-за увеличения степени диссоциации. Предельное значение эквивалентной проводимости соответствует бесконечному разбавлению, т.е. полной диссоциации.

В многокомпонентных растворах электролитов электрическая проводимость подчиняется закону аддитивности. Это означает, что кондуктометрический метод не является избирательным и применяется в основном для измерения концентрации бинарных и псевдобинарных растворов. Водные растворы кислот и щелочей, применяемые в отбельном производстве, имеют удельную электропроводность 10^-1- 10^-2 См/см.

На электропроводность сильно влияет температура, изменяющая степень диссоциации, подвижность ионов и вязкость. В общем случае с ростом температуры электропроводность проводников второго рода увеличивается.

Экспериментальным путем установлено, что повышение температуры на 1 К увеличивает электропроводность (в среднем) для солей - на 1,6%, для оснований - на 1,9%, для кислот - на 2,4%. Температура растворов в отделочном производстве меняется от 20 до 100⁰C, поэтому все кондуктометрические концентратомеры должны иметь температурную компенсацию.

Известны контактные и бесконтактные, высокочастотные и низкочастотные, постоянного и переменного тока кондуктометры. Контактный метод обеспечивает высокую точность измерения, непосредственный отсчет измеряемой величины, относительно простой способ реализации. Недостатком являются поляризационные явления на электродах.

Для устранения этого разработаны бесконтактные методы, которые, кроме того, имеют более широкую область применения: для агрессивных сред и высоких концентраций. Однако они не позволяют производить непосредственный отсчет электропроводности.

Эффективное использование кондуктометрического метода возможно при условии корреляции между напряжением на электродах измерительных ячеек и свойствами раствора. Такой зависимости препятствуют электродные процессы. При приложении к электродам напряжения постоянного или переменного тока на межфазной поверхности электрод-раствор нарушается равновесие, происходит поляризация электрода аналогично зарядке конденсатора.

Поляризационная емкость имеет две составляющие: емкость двойного электрического слоя и псевдоемкость, обусловленную расходом электричества на электрохимическую реакцию. Схема замещения измерительной ячейки включает емкость двойного электрического слоя, не зависящую от частоты тока, поляризационное сопротивление, псевдоемкость, емкость, обусловленную диэлектрическими свойствами раствора, сопротивление раствора, зависящее от частоты тока. Для ослабления влияния указанных величин электрическую проводимость целесообразно измерять на повышенных частотах.

При измерении проводимости веществ с малой удельной электрической проводимостью используют для питания измерительной ячейки постоянный ток. В контактных кондуктометрах используют частоты от единиц до десятков тысяч Гц, в бесконтактных – 10⁵ – 10⁶ Гц.

Кондуктометрические концентратомеры широко применяют благодаря относительно простому способу реализации датчиков и схем измерения, удобству эксплуатации, широкому диапазону измеряемых концентраций, возможности непосредственного отсчета измеряемой величины.

Недостатками метода являются неизбирательность, что ограничивает его использование в отделочном производстве, так как используют многокомпонентные растворы, и значительная зависимость от температуры, что вызывает необходимость температурной компенсации и корректировки сигнала в зависимости от величины электролитической диссоциации каждого диапазона контролируемого раствора.

Денситометрический метод контроля концентрации основан на измерении плотности растворов. Метод можно реализовать на основе поплавковых (ареометрических), весовых (пикнометрических), гидростатических, ультразвуковых и радиоизотопных датчиков плотности растворов.

Метод применяется для растворов, в которых существует однозначная зависимость между плотностью и концентрацией (отделочные растворы, растворы на химических станциях).

Денситометрами общего назначения возможно измерение плотности жидкостей от 700 до 2000 кг/м³. После измерения плотности по таблицам или графикам определяют концентрацию раствора, соответствующую данной плотности.

Недостатками метода являются неизбирательность, т.е. невозможность использования его для многокомпонентных растворов, а также зависимость плотности от температуры измеряемой среды:

где ρ_Т1, ρ_Т2- плотности контролируемой жидкости соответственно при температуре Т₁, и Т₂, кг/м³; β — среднее значение коэффициента объемного расширения в интервале температур от Т₁ до Т₂, 1/град.

Коэффициент объемного теплового расширения зависит от температуры, состава и концентрации растворов.

Примерные значения коэффициента β для воды составляют 0,0002 1/град, для 1%-го раствора поваренной соли - 0,0004 1/град; для 10%-го раствора поваренной соли - 0,0005 1/град.

В отечественной текстильной промышленности имеется опыт использования плотномера, разработанного специально для контроля концентрации щелочи при мерсеризации.

Датчик прибора выполнен в виде двух поплавков, полностью погруженных в растворы; один - в рабочий, другой - в эталонный. Шкала прибора проградуирована в единицах концентрации. Так как в растворах едкого натра происходит накапливание соды (до 20 г/л), вызывающее искажение показаний, в плотномере предусмотрен корректор.

Несмотря на наличие в плотномере компенсаторов влияния температуры и соды, прибор не нашел распространения в промышленности из-за сложности, неудобства эксплуатации (например, необходимости смены эталонного раствора при изменении диапазона измерения). Предел измерения концентрации 0-610 г/л разбит на несколько диапазонов по 80 г/л. Опыт эксплуатации прибора показал, что он не обеспечивает заданную (± 2,5%) погрешность измерения.

Радиоизотопные методы анализа также применяют для контроля концентрации растворов. Обычно используют один из двух видов взаимодействия ядерных излучений с веществом - поглощение излучения веществом (плотномеры) или ионизацию вещества излучением (анализаторы состава).

В первом случае поток излучения β- или α-частиц проходит через слой контролируемой среды, ослабляется и измеряется детектором излучения (газоразрядным или сцинтилляционным счетчиком или ионизационной камерой).

Во втором случае поток первичного излучения вызывает в контролируемом объекте характерное для него вторичное излучение, регистрируемое детектором. Методы применимы для определения концентрации в двухкомпонентной смеси, а также для контроля содержания одного компонента в смеси при условии, что атомные номера контролируемого и остальных компонентов существенно отличаются.

Интенсивность I энергетически однородного пучка γ-лучей, прошедших через слой жидкости толщиной х и плотностью ρ, описывается соотношением

I=I₀e^-μρx (43)

где I₀ — интенсивность γ-излучения на поверхности слоя; μ — массовый коэффициент ослабления пучка γ -лучей.

Для вещества сложного атомного состава

(44)

где μ_i— массовый коэффициент ослабления пучка γ-лучей различными компонентами веществ; с_i — массовая концентрация (или доля) отдельных компонентов в веществе.

Полное ослабление пучка мягких (с энергией 100-150 кэВ) лучей веществом определяется суммарным действием фотоэффекта и комптоновского рассеяния. При достаточно малых энергиях излучения основную роль играет фотоэффект, т.е. μ≈μ_ф.

Массовый коэффициент фотоэлектрического ослабления мягких γ-лучей описывается формулой

(45)

где k — коэффициент пропорциональности; z — атомный номер поглощающего вещества; А - атомная масса поглощающего вещества; Е _γ - энергия γ-излучения.

Коэффициент k меняется скачкообразно при переходе через значения, соответствующие энергиям связи электронов на оболочках атома. Зависимость μ_ф от z значительная. Ее учитывают для аналитического определения элементов, значительно отличающихся атомными номерами.

(46)

где μ_фA и μ_фб - соответственно коэффициенты ослабления компонентов А и Б; с_A — массовая доля компонента А; Б — второй компонент.

Таким образом,

(47)

Зная плотность ρ и толщину х слоя жидкости и измерив интенсивность I, можно определить искомое c_A.

β-излучение в анализаторах жидкости используется: для измерения ослабления интенсивности излучения, прошедшего через анализируемую среду, или для измерения интенсивности излучения, отраженного анализируемой средой. В последнем случае необходима конструкция прибора, при которой прямое излучение не попадает в детектор.

Ослабление пучка β-частиц при прохождении через слой анализируемой жидкости можно представить следующим уравнением:

(48)

где N_x — число β-частиц, прошедших через слой вещества толщиной х; N₀ — число β-частиц, попавших в вещество.

Использование β и α-излучения позволяет создать анализаторы состава жидкостей, включающих три компонента и более. При этом необходимы вычислительные устройства для решения систем уравнений, описывающих исследуемые компоненты.

Основное преимущество радиоизотопных методов – бесконтактность, позволяющая контролировать концентрацию растворов, находящихся в закрытых сосудах, под давлением.

Дата добавления: 2014-01-14