Измерение концентрации вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

1. Необходимость измерения концентрации

Химический анализ буквально пронизывает всю нашу жизнь. Его методами проводят скрупулезную проверку лекарственных препаратов. В сельском хозяйстве с его помощью определяют кислотность почв и содержание в них питательных веществ, что позволяет подобрать оптимальные условия обработки почвы, также оценивают содержание белка и влаги в разных сортах зерна. Химическому анализу подвергаются и товары широкого потребления: в зубной пасте контролируют содержание фтора, в маслах - содержание ненасыщенных соединений. Измерение концентрации этилового спирта в спиртосодержащих растворах необходимо в равной степени для сопровождения технологических процессов в вино-водочной промышленности и для осуществления контроля качества и сертификации произведенной продукции.

В природоохранной деятельности методы аналитической химии применяют для контроля качества питьевой воды, для определения содержания вредных веществ в отходах и окружающей среде.

Например: радон - это ядовитый газ, который накапливается обычно в непроветриваемых подвалах многоэтажных жилых домов и имеет обыкновение распространяться по щелям между панелями в жилые квартиры всего дома. Он также накапливается и в самих квартирах, если их долго не проветривать. Ядовитый газ очень сильно сказывается на здоровье жильцов.

Наверное, многие слышали о службе экологического контроля, в задачу которой входит проверка уровня содержания радона в жилых домах и квартирах. Но и многие также, наверное, слышали о том, что такая служба существует чуть ли не одна на многомиллионный город, да и то с одним единственным прибором по контролю радона. Это не далеко от истины. А причина в том, что сам прибор стоит дорого и процесс измерения концентрации радона достаточно сложен сам по себе. В последнее время разрабатываются более простые и дешевые способы выявления этого газа.

Также изменение концентрации радона в воздухе без инерционным способом, что особенно важно при разведке ископаемых, при аварийных ситуациях и, что актуально в настоящее время, применим для прогнозирования землетрясений.

Установлено, что из известных свойств пыли, масса и число частиц характеризуют вредность пыли для организма человека. Поэтому разработаны нормы концентрации пыли для различных мест и условий работы людей.

В судебной практике с их помощью обнаруживают следы пороха на руках подозреваемого, анализируют состав красок, которыми написана картина, чтобы отличить подлинник от подделки.

Знания основ гидрохимии нашли применение в таком увлечение, казалось бы далеком от химии, аквариумистике. Но около 90% рыбьих невзгод связано именно с неблагоприятными условиями жизни в аквариумах, где этим бедолагам угораздило оказаться.

Методы анализа различаются по степени сложности. Так, в медицине используются экспресс-тесты на беременность и сложные методы анализа крови на содержание сахара или холестерина, контроля уровня нейромедиаторов при исследовании мозга in vivo и пр.

Из приведенных примеров видно, что все вопросы, которые решает аналитическая химия, можно свести к следующим: что представляет собой данное вещество, из каких компонентов оно состоит, каковы их количество и распределение? Чтобы ответить на эти вопросы, проводят самые разнообразные химические реакции, применяют широкий спектр химических, физических, физико-химических, биологических методов, разрабатывают новые методы анализа и совершенствуют уже существующие. Число методов аналитической химии чрезвычайно велико и постоянно растет.

Регулирование ряда сложных технологических процессов по косвенным параметрам (расход, температура, давление) уже недостаточно эффективно - требуются быстродействующие и точные средства измерений, которые в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами обеспечивали бы измерения параметров, непосредственно определяющих состав и свойства вырабатываемых материалов.

Множество анализируемых веществ и широкий диапазон измеряемых концентраций обусловили возникновение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств вещества.

Ниже рассмотрены некоторые, наиболее распространенные электрические методы анализа веществ и соответствующие средства измерений, которые в зависимости от используемых физико-химических явлений или их сочетания разделяются на электрохимические, электрофизические, ионизационные, спектрометрические и комбинированные.

2. Приборы для измерения концентрации

химический концентрация прибор

Концентрация вещества - отношение числа частиц компонента системы (смеси, раствора, сплава), его количества или массы к объёму системы.

Концентрация - величина, характеризующая количественный состав раствора. Концентрацией растворённого вещества называют отношение количества растворённого вещества или его массы к объёму раствора (моль/л, г/л), то есть это отношение неоднородных величин. Те величины, которые являются отношением однотипных величин (отношение массы растворённого вещества к массе раствора, отношение объёма растворённого вещества к объёму раствора), правильно называть «долями». Однако на практике для обоих видов выражения состава применяют термин «концентрация» и говорят о концентрации растворов.

Измерение состава и свойств вещества. При анализе свойств и состава веществ производят измерения: концентрации одной жидкости (или газа) в смеси других жидкостей или газов; концентрации ионов водорода в растворах (или расплавах) (рН - метры, оксредметры) и других; концентрации твердых частиц, пузырьков газа, капель жидкости (тумана) в жидкости или газе (концентратомеры механических смесей и др.); количества влаги в газе, жидкости или твердом теле (влагомеры); плотности массы определенных объемов или площадей веществ и материалов (плотномеры, массомеры, измерители массы бумажного полотна или картона); фракционного состава древесных волокон; качественных и количественных характеристик бумаги и картона; качественных показателей бумаги и картона (механические характеристики: вес на 1м², белизна, просвет, воздухопроницаемость, зольность, электроизоляционные свойства и др.).

Электрохимические измерители. Электрохимические измерители концентрации делятся на: кондуктометрические концентратомеры, основанные на измерении электрической проводимости или сопротивления электролитических ячеек; рН-метры - основанные на измерении электродных потенциалов; полярографические концентратомеры, в которых осуществляется снятие кривых поляризации или определение интенсивности прохождения света. Ионизационный принцип анализа основан на измерении ионного тока в исследуемой среде. Указанный метод позволяет измерить абсолютную концентрацию и состав газовых смесей. К группе ионизационных измерителей концентрации относятся широко распространенные масс-спектрометры, позволяющие разделить и идентифицировать положительные ионы анализируемого вещества по их массе.

Спектрометрические измерители. Принцип анализа спектрометрических измерителей основан на избирательной способности различных веществ поглощать, излучать, отражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. Поэтому принципы построения измерительных средств очень широки, от звукового - 103Гц до гамма-излучения - 1018Гц. Отсюда и следует такое разнообразие измерительных приборов. Спектрометрические измерители имеют следующую классификацию: электроакустические, в которых используется зависимость скорости распространения звука от состава и концентрации исследуемой среды; ультразвуковые, основанные на различии затухания или скорости распространения ультразвуковых колебаний от состава, свойств жидкостей и газов; радиоспектрометрические, в которых используется принцип ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и микроволновая спектроскопия. В последних используется взаимодействие сверхвысокочастотного электромагнитного поля с электрическим дипольным моментом молекул газа. Зависимость поглощения или отражения сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний от состава и свойств веществ, которые применяют для измерения толщины полотна, влажности и т.д.

Измерители электрооптические, использующие зависимость отражения, поглощения, рассеяния или преломления видимых инфракрасных или ультрафиолетовых лучей от свойств и состава веществ, при этом методы измерений концентрации бывают: а) нефелометрический метод, измеряющий состав по прозрачности вещества; б) калориметрический метод, основанный на измерении интенсивности окраски образца в проходящем или отраженном свете; в) спектральный метод, в основе которого лежит испускание или поглощение различными веществами строго определенных длин волн; г) рефрактометрический метод, основанный на зависимости коэффициентов преломления от состава и концентрации жидкости; д) поляриметрический метод, в котором используется зависимость плоскости поляризации света в исследуемом веществе от его состава; е) радиоизотопный метод, применяемый для анализа веществ по различному поглощению или отражению радиоизотопного излучения исследуемым веществом.

Тепловые измерители, в которых принцип анализа заключается в следующем: а) термокондуктометрический, основанный на измерении теплопроводности газовых двухкомпонентных смесей; б) термохимический, основанный на измерении перепада температур при прохождении химической реакции, происходящей в исследуемой смеси; в) температурный, основанный на измерении температуры, при которой происходят фазовые превращения; г) психрометрический, основанный на эффекте снижения температуры при испарении жидкости.

Газоанализаторы. Приборы, осуществляющие контроль за концентрацией газов, называются газоанализаторами. По принципу действия газоанализаторы делятся на: Механические, в которых осуществляется контроль за плотностью газа, его объемом и давлением. Химические, в которых свойства газов определяются по химической реакции, в результате которой происходит поглощение веществ, или их разложение. Электрохимические, характеризующие состояние газов по их электрическим свойствам (изменение электродного потенциала, комплексного сопротивления или их составляющих). Ионизационные, в которых наблюдается увеличение или уменьшение ионного тока в зависимости от состава газовых смесей. Магнитные, использующие парамагнитные свойства ряда газов. Тепловые, принцип действия которых основан на изменении свойств газовых смесей в температурных полях в зависимости от их состава. Звуковые (ультразвуковые), в основе которых положена зависимость скорости распространения звука (ультразвука) от состава среды. Оптические, применяемые для анализа состава газов по изменению характеристик монохроматического света в зависимости от состава газовых смесей.

Термомагнитные газоанализаторы. Для анализа дымовых газов в содорегенерационных и известерегенерационных печах на содержание в них кислорода применяют термомагнитные газоанализаторы. Обычно по показаниям газоанализаторов определяют полноту сгорания топлива. Так при полном сгорании топлива образуется углекислый газ СО₂, а при неполном сгорании образуется угарный газ - СО. Точное определение состава газа и измерение его концентрации позволяет управлять процессом горения, изменяя соотношения подачи воздуха и топлива. Измерение концентрации кислорода особенно важно в процессе кислородно-щелочной отбелки. Кислород обладает парамагнитными свойствами, в отличие от многих других газов, являющихся диамагнетиками. Однако само измерение концентрации кислорода связано с большими трудностями, особенно зависимостью магнитной восприимчивости от температуры.

Термокондуктометрические газоанализаторы. Применяют для измерения концентрации сернистого газа SO₂ в сернистых и колчеданных печах в интервалах от 15 до 20%. Они также широко применяются для измерения концентрации: Н₂ - водорода; СО₂ - углекислого газа; СН₄ - метана; Cl - хлора и т.д. При работе этих приборов используется физическое свойство двухкомпонентных газов - различная теплопроводность различных газов: теплопроводность смеси газов; концентрация первого компонента; концентрация второго компонента; теплопроводность первого компонента; теплопроводность второго компонента.

В схеме термокондуктометрического газоанализатора установлены терморезисторы R1 и R3, через которые прокачивается газ, взятый из объекта и предварительно высушенный. Расход газа через прибор стабилизируется. Резисторы R2 и R4 представляют собой баллоны, заполненные воздухом. Исследуемый газ прокачивается по двум противоположным плечам моста, что вдвое увеличивает чувствительность прибора к концентрации газа. Данная конструкция схемы позволяет снизить влияние температуры на показания прибора.

Оптико-акустический (абсорбционный) газоанализатор. Принцип работы абсорбционного газоанализатора основан на поглощении инфракрасного излучения исследуемым газом. Оптико-акустический, или абсорбционный газоанализатор состоит из двух строго идентичных инфракрасных ламп с одинаковой интенсивностью излучаемого светового потока. Обе лампы питаются от одного источника. В приборе создаются два прерывистых инфракрасных потока от идентичных источников за счет вращающегося обтюратора. Один прерывистый поток проходит через образцовую кювету, а второй поток проходит через измерительную кювету, через которую пропускают газ от исследуемого объекта. Если концентрации газов образцовой кюветы и газа в исследуемом объекте одинаковы, то инфракрасный поток, прошедший через них, одинаков. Инфракрасные лучи, пройдя обе кюветы, попадают на два сверхтонких теплоприемника, покрытых черной сажей. Сажа считается абсолютно черным телом и полностью поглощает инфракрасное излучение, попавшее на нее. Теплоприемники представляют собой сверхтонкие герметичные баллоны. Прерывистый поток инфракрасных лучей создает пульсирующее давление в камерах. Обе камеры соединяются между собой переходной трубкой, в центре которой находится конденсаторный микрофон. На мембрану микрофона действуют две взаимно противоположные силы. Если оба прерывистых инфракрасных потока одинаковы то давление в обеих камерах одинаково, и мембрана не перемещается. Если в теплоприемниках возникает разность давлений, то мембрана совершает колебания с амплитудой, пропорциональной разности концентраций. Абсорбционный газоанализатор позволяет измерять концентрацию практически любых газов. Для её измерения необходимо иметь активные химические фильтры и набор образцовых кювет для разных газов.

Хроматограф. Хроматографы позволяет определять состав любых сложных газовых смесей, жидкостей и произвести количественный анализ. Устройство хроматографа весьма сложное. Хроматограф состоит из: дозатора; колонки, наполненной сорбентом (кварцевым песком); детектора; электронного усилителя; самопишущего прибора; программного регулятора температуры. Дозатор выполняет функцию исключительно точного измерения порции газа. Исследуемая порция отправляется в трубу, по которой циркулирует инертный газ-носитель. Последний захватывает молекулы исследуемого газа, транспортирует их в колонку и осаждает на сорбенте - химически чистом песке. Программный регулятор температуры постепенно увеличивает температуру, скорость нарастания которой задает компьютер. По мере роста температуры увеличивается амплитуда колебаний молекул газа, осажденного на сорбенте. С ростом температуры сначала от сорбента начинают отрываться более легкие молекулы газа, например водорода. Затем отрываются молекулы более тяжелых газов. Отрыв определенной группы молекул происходит при строго определенной температуре. Все молекулы этой группы ударяются о пьезокристалл, вызывая появление в нем импульса напряжения, который усиливается электронным усилителем. Усиленный сигнал регистрируется самопишущим прибором. Чем выше концентрация молекул определенной группы, тем больше их на сорбенте, тем сильней удар о пьезокристалл, тем выше напряжение импульса. Зная, при какой температуре произошел отрыв молекул и высоту записанного импульса, можно произвести как качественный, так и количественный анализ газа. При всей простоте объяснения принципа работы хроматографа крайне сложно прочитать хроматограмму. В настоящее время этот процесс автоматизирован, поскольку программу распознания элементов вводят в компьютер, который выдает результат исследований автоматически в виде аналитического отчета. Динамика процессов хроматографического разделения газовой смеси подчиняется законам динамики сорбции.

Контактный концентратомер. Если в растворе схемы, пропускать постоянный ток, начнется процесс электролиза. Чтобы этого не произошло, по схеме пропускают переменный ток и измеряют проводимость жидкости. Для исключения влияния температуры на показания приборов применяют медное термосопротивление Rм с положительным температурным коэффициентом. Чтобы уменьшить ток электролита и повысить точность измерения применяют сопротивление шунта Rш, изготовленное из манганина, температурный коэффициент которого отрицательный. Положительный температурный коэффициент меди и отрицательный манганина компенсируют друг друга и повышают точность измерения сопротивления электролита. Для точного измерения сопротивления электролита необходимо уровень электролита поддерживать постоянным.

Плотномеры. Закон Архимеда устанавливает связь между плотностью вещества, и выталкивающей силой, действующей на поплавок. Если создать постоянный уровень жидкости в резервуаре, то величина Архимедовой силы, выталкивающей поплавок, будет постоянной и зависит только от плотности жидкости. Но с ростом плотности вещества выталкивающая сила возрастает, и поплавок поднимается вверх. Напряжение на выходе дифференциального трансформатора возрастает пропорционально плотности.

Ареометр. Для создания постоянного уровня жидкости применим объект с самовыравниванием. Жидкость поступает снизу и при достижении определенного уровня начинает сливаться, создавая постоянный уровень. Измерять плотность жидкости можно и при переменном расходе жидкости, но необходимо одно условие, уровень жидкости в сосуде должен быть постоянным. Недостатком данного метода измерений является зависимость плотности жидкости от температуры. Рост температуры жидкости снижает её плотность. Следовательно, для повышения точности измерений необходимо поддерживать постоянной не только уровень, но и температуру жидкости. По этому принципу работают ареометры.

Барботажный плотномер. Барботажный метод позволяет измерять плотность жидкости в сосудах с переменным уровнем. Производится продувка воздуха через две трубки, погруженные в жидкость, расположенные на разных уровнях от поверхности. Чтобы продуть воздух в трубке, расположенной на определенном уровне, необходимо создать в ней давление равное давлению жидкости на данном уровне. Так на продуваемых концах трубок давление будет различным. Для определения плотности жидкости достаточно измерить перепад давлений. Дифференциальный манометр (дифманометр) измеряет разность давлений. Как бы не изменялся общий уровень жидкости, перепад уровней останется постоянным, как и постоянно ускорение свободного падения - 9,8м/с2. Шкала дифманометра градуируется в единицах плотности.

Измерение концентрации бумажной массы. Принцип действия абсолютного большинства приборов для измерения средней концентрации бумажной массы (1 - 6%) основан на измерении сил трения: при движении массы в открытых и закрытых трубопроводах возникает сопротивление его движению, что приводит к потере напора в трубопроводах, что служит мерой концентрации массы; в массу различными способами помещают вращающийся чувствительный элемент (роторный датчик) разнообразных конструктивных модификаций, которые при своем движении испытывают сопротивление, зависящее от поверхностного и внутреннего трения массы, конструкции насадок для определения концентрации растворов и определяющее тормозной момент при заданной круговой скорости вращения датчика. Этот момент характеризует концентрацию массы; многих факторов; при перемещении массы обычно высокой концентрации с помощью электрического оборудования (насосов, мешалок) используется зависимость нагрузки приводных двигателей от поверхностного и внутреннего трения массных суспензий, которое определяется концентрацией вещества. Рост концентрации массы приводит к повышению плотности массы, а, следовательно, и ее вязкости. Асинхронные двигатели с КЗ ротором увеличивают скольжение при повышении нагрузки, что вызывает рост тока нагрузки двигателя. Шкала амперметра градуируется в единицах концентрации массы. В движущуюся по напорным трубопроводам массу погружают чувствительный элемент (тело специальной конфигурации - датчик обтекания, на который действуют силы, связанные с поверхностным и внутренним трением в массе, и являющиеся мерой её концентрации).

рН-метры и оксредметры. Измерение концентрации ионов в растворе, основанный на измерении электрических потенциалов двух электродов - измерительного, помещенного в исследуемый раствор с известной концентрацией и электрода с постоянным потенциалом, называется потенциометрией. Наиболее широкое распространение получил способ измерения активной концентрации ионов водорода, характеризующих кислотные и щелочные свойства водных растворов и окислительно-восстановительные свойства сред. По этим показателям можно контролировать ход многих технологических процессов. В ЦБП широко применяются приборы для измерения электродных потенциалов в варочном, отбельном производстве и при промывке, а так же при хлорировании, нейтрализации щелоков и сточных вод, при подготовке и отливе бумажного полотна. Вода при диссоциации создает положительные ионы водорода и отрицательные ионы гидроксильной группы. Закон действующих масс применим к реакции диссоциации воды. Если в любой кислоте или в любой щелочи концентрация ионов водорода в растворах кислот и щелочей составляет 10-7 г./литр, то при их слиянии возникнет нейтральный раствор соли в воде. Поскольку работать с отрицательными показателями степеней не очень удобно, то вводится величина рН - равная отрицательному значению десятичного логарифма от активной концентрации ионов водорода: Значение рН может быть определено двумя способами: колориметрическим методом, основанным на свойстве некоторых веществ изменять свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода. Этот метод применяется исключительно для лабораторных анализов. Потенциометрический метод, основанный на измерении разности электрических потенциалов для специальных электродов, один из которых измерительный, помещен в исследуемый раствор, а другой - сравнительный, помещают в известный стандартный раствор. В нем электрод имеет постоянный потенциал.

Анализатор состояния волокон целлюлозы. Анализатор состояния волокон целлюлозы позволяет осуществлять измерения таких параметров как: ширина волокна; излом; пустоты в структуре. Показатели ширины волокна в сочетании с его длиной могут служить для определения потенциала сырья для приготовления бумаги. Анализ пустот важен при исследовании массы, полученной из твердых пород древесины, например эвкалипта или акации. Внешний вид анализатора степени помола с индивидуальным монитором. Сортировка сырья на раннем этапе позволяет минимизировать трудности сопряженные с отсортировкой пустот. Индекс излома в сочетании с индексом скручиваемости дает представление о качестве крафт-целлюлозы. Индекс скручиваемости и излома оказывает влияние на характеристики прочности, такие как прочность на раздирание, разрывная длина, а также прочность на размол. С помощью прибора можно определить фракционный состав (HW/SW) для последующего автоматического определения того или иного типа массы. Приборы анализа состояния щепы и волокон относятся к приборам нового поколения, которые определяют параметры щепы в 15 раз быстрее, чем аналогичные приборы старого поколения, и в 500 раз быстрее определяют параметры волокна. Измерение параметров щепы и волокон вручную в лаборатории не только утомительны и требуют много времени, но и не соответствуют требованиям современного производства, снижают производительность труда, усложняют процесс ввода результатов измерений в систему управления производством. Анализатор волокна позволяет произвести автоматический отбор проб и ввод результатов измерений в компьютер системы управления производством. Прибор прост в обращении, легко встраивается в технологический процесс и быстро окупается.

Измерение степени помола. Степень помола определяет основные качественные параметры бумажного полотна. На расстоянии 100м технологической линии устанавливается до 10 пробоотборников. Прибор позволяет производить до 350 измерений в сутки. Результаты измерения передаются в систему контроля в цифровом виде и в виде диаграмм выводятся на экран монитора. Каждую минуту производится измерение 1г образца. Модуль щепа-волокно, обеспечивает измерение параметров щепы в 15 раз быстрее, чем анализаторы щепы предыдущего поколения. Показатели степени помола на диаграмме монитора. Прибор выводит длину волокна, толщину, тонкую фракцию, извитость, соотношение коротковолокнистой и длинноволокнистой фракций. При необходимости прибор выводит распределение этих величин как диаграмму. Модуль анализирует 8000 волокон в секунду и до 3 миллионов волокон в одном образце за один анализ. Это в 500 раз больше, чем в приборах предыдущего поколения. 30-40 секунд достаточно для экспресс-анализа. Полный и подробный анализ параметра щепа-волокно занимает 6 минут. Погрешность анализа составляет 0,2-0,4%. Блок контроля снабжен системой самокалибровки без калибровочных образцов. В пакет прикладных программ введена информация об эталонах для сравнения с исследуемыми образцами. Измерительная система прибора имеет передачу данных в системы контроля и регулирования и имеет легкую систему доступа к анализатору. В пакет программ входят программы сбоя, в которых происходит обучение компьютера при работе системы контроля в условиях помех и возмущений. Прибор относится к классу самообучаемых систем контроля.

Измерение и регулирование активных химикатов на отбеливание. Измеритель и регулятор активных химикатов, является прибором четвертого поколения для установки в местах измерения концентрации химикатов. Применяется для регулирования состава химикатов. Запатентованный принцип измерения является ключевой составляющей процесса регулирования отбеливания с применением двойного датчика вместе с сенсором яркости. Прибор устанавливается в местах измерения концентрации химикатов в технологических линиях.

Поляриметрический измеритель концентрации. Свет от лампы попадает через линзу и фильтр на поляризованное стекло, которое поляризует свет, создавая одну плоскость поляризации. Поляризованный свет проходит сквозь прозрачную трубку, по которой течет исследуемая жидкость. Жидкость поворачивает плоскость поляризации, при этом, чем выше концентрация жидкости, тем больше угол поляризации. Поляризованный свет проходит через прозрачное стекло с движущейся жидкостью и попадает на полупрозрачное зеркало, в котором часть поляризованного света проходит прямо, а часть света отражается от зеркала. Поляризованный свет проходит через второй поляроид, который является анализатором. Поляризованный свет с повернутым углом поляризации частично проходит через поляроид. Измерив разность интенсивностей отраженного и проходящего света, по перепаду напряжений на фотодиодах можно определить концентрацию раствора. При этом цвет раствора роли не играет. Прибор измеряет концентрацию химикатов электрохимическим методом с использованием мультиэлектродной системы, передает ее в систему контроля и выводится на монитор в виде диаграммы. Компьютерная программа устанавливает потенциал электрода, выбираемый в соответствии с видом измеряемого химиката. При возникновении химической реакции автоматически измеряется потенциал на химическом электроде измерений.

Размещено на Allbest.ru