Применение чувствительных элементов на спиральных замедляющих системах для контроля процессов в жидких средах

Полная исследовательская публикация ______________ Астахов М.В., Елизаров А.А. и Родин А.О.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2 _______ http://butlerov.com/ __________ ©--Butlerov Communications. 2015. Vol.42. No.5. P.1-7. (English Preprint)

Тематический раздел: Исследование эффектов физических полей. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Коллоидная химия. Идентификатор ссылки на объект - ROI: jbc-01/15-42-5-1

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2015. Т.42. №5. __________ 1

Применение чувствительных элементов на спиральных замедляющих системах для контроля процессов в жидких средах

Астахов Михаил Васильевич, Елизаров Андрей Альбертович и Родин Алексей Олегович

Кафедра физической химии. Институт новых материалов и нанотехнологий. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» НИТУ "МИСиС"

Аннотация

В настоящее время электронные приборы и устройства, основанные на использовании замедляющих систем и возбуждаемых в них электромагнитных волн, получили широкое распространение в микроволновой электронике, химии, биологии и медицине в качестве чувствительных элементов для исследования процессов, протекающих в жидкостях.

Рассмотрены особенности контроля процессов образования твердых фаз диэтилдитиокарбамат цинка и меди в растворах электролитов, образование и растворение кристаллов сегнетовой соли и сернокислого никеля из пересыщенных растворов, мицеллярных структур на примере олеата натрия с помощью чувствительных элементов на основе спиральных замедляющих систем.

Ключевые слова: электромагнитное излучение, замедляющие системы, мицеллы, коллоидные системы.

Abstract

The use of sensitive elements on the spiral slow to control processes in liquid media

Mikhail V. Astakhov, Andrey A. Yelizarov, and Alexey O. Rodin

Department of Physical Chemistry. Institute for New Materials and Nanotechnologies. National Research Technological University "MISA" NUST "MISA".

Currently, electronic devices and devices based on the use of slow-wave systems and excited in their electromagnetic waves are widely used in microwave electronics, chemistry, biology and medicine as sensing elements for the study of the processes occurring in liquids.

The features of the control of the formation of solid phases diethyl zinc and copper in electrolyte solutions, the formation and dissolution of crystals of Rochelle salt and nickel sulfate from a supersaturated solution, micellar structures on the example of sodium oleate with sensitive elements based on spiral slow.

Keywords: electromagnetic radiation, slowing down the system, micelles, colloidal systems.

Преимущества применения замедляющих систем (ЗС) в химии, биологии и медицине основаны на электродинамических и конструктивных особенностях структур, которые следуют из распределения электромагнитного поля вблизи их поверхностей [1-4]. В большинстве случаев ЗС сформированы проводящими элементами, имеющими периодичность вдоль распространения волны, например, одиночными спиралями, биспиралями или меандрами (рис. 1а-в). Изменение конфигурации таких структур, обеспечивающих концентрацию электромагнитного поля вблизи своей поверхности, позволяет обеспечить проникновение энергии на заданную глубину в исследуемую среду и сопровождается увеличением эффективности взаимодействия с ними пропорционально коэффициенту замедления.

Рис. 1. Виды спиральных замедляющих систем

При этом энергия может быть определена по формуле:

(1)

где Р₀ - поток мощности через поперечное сечение ЗС, х_гр - групповая скорость электромагнитной волны.

В качестве особенности ЗС следует подчеркнуть возможность поверхностного распре-деления поля при разных частотах и коэффициентах замедления, что позволяет применять их для мониторинга относительно больших и малых объемов жидкости, биологических объектов и других конденсированных и газовых сред.

В зависимости от граничных условий и различного распределения в поперечном направлении, электромагнитное поле ЗС в большинстве случаев представлено в виде гибридной волны, которую можно рассматривать в виде совокупности волн Е- и Н-типов (рис. 2). В такой гибридной волне отношение электрической энергии к магнитной в волне E-типа, a также отношение магнитной энергии к электрической в волне H-типа равно квадрату коэффициента замедления:

(2)

Рис. 2. Распределение поля в радиальных спиралях с противоположным направлением намотки

Данное свойство позволяет создавать излучатели и электроды с преимущественным сосредоточением электрического или магнитного поля в заданной области.

Следует отметить, что применение ЗС дает возможность многократной концентрации электрического и магнитного полей в связанных структурах, например, цилиндрических или радиальных спиралях с противоположным направлением намотки (рис. 2, 3).

Рис. 3. Связанные цилиндрические спирали

Концентрация электрического поля между спиралями, обладающими большим замедлением, обеспечивает лучшие условия для определения параметров и характеристик исследуемых систем с преимущественным сосредоточением магнитного поля, в то время как интенсивность электрического поля уменьшается приблизительно в N² раз.

Применение периодических замедляющих структур позволяет все электромагнитное поле или поля его электрической, или магнитной части, представленных суммой 1 гармоник, сконцентрировать в энергию в небольшом слое. Толщина этого слоя меньше 1/6 периода ЗС, равной T (рис. 4). Это позволяет проводить исследования на относительно низких частотах с заданным проникновением энергии в образец.

Рис. 4. Распределение поля 1 пространственных гармоник

В этом случае

(3)

где е - относительная диэлектрическая проницаемость образца, ц - угол направления излучения к продольной координате z, который определяется по уравнению:

(4)

Тем самым, будучи независимым от геометрических размеров и периода ЗС, эффект излучения достигается в широком диапазоне частот [5].

Практическая реализация рассмотренных особенностей замедленных электромагнитных волн позволила научной группе под руководством профессора Пчельникова Ю.Н. разработать и создать целый ряд излучателей и электродов на спиральных ЗС для проведения различного рода исследований процессов, происходящих в различных средах [1-5].

Несомненным преимуществом радиоволновых измерений с использованием чувствительных элементов на ЗС является повышенная точность и чувствительность по сравнению с традиционными электромагнитными преобразователями, что обусловлено более высокими рабочими частотами, отсутствием полей рассеяния, паразитных реактивностей и помех [6].

Кроме того, возможность одновременной или последовательной работы на различных типах волн или частотах позволяет осуществлять многопараметровый микропроцессорный контроль, исключая влияние температурных погрешностей и других отрицательных факторов [7].

Сосуд с жидкостью или газом, снаружи которого расположена спиральная ЗС, позволяет контролировать изменение диэлектрической проницаемости образцов при протекании в них различного рода процессов. В этом случае спиральный чувствительный элемент включается в цепь обратной связи высокочастотного генератора с запаздывающей обратной связью. Изменение эффективной диэлектрической проницаемости жидкой или газовой среды приводит к соответствующему изменению электрической длины ЗС, и, в конечном счете, к изменению частоты генерации [8, 9].

В качестве информативных параметров, учитывающих взаимодействие волн с объектами в электромагнитном поле ЗС могут быть использованы: коэффициент стоячей волны, фазовый сдвиг падающей и отраженной (прошедшей) волн и другие. А также параметры, присущие резонансным электромагнитным системам - добротность, резонансная частота и др. Многообразие параметров позволяет выбрать оптимальный для конкретной задачи и, тем самым, обеспечить её эффективное решение. В большинстве предложенных конструкций наиболее эффективным информативным параметром служит изменение коэффициента замедления или затухания, который можно преобразовать в изменение либо фазы, либо частоты генератора или собственной резонансной частоты отрезка ЗС [3, 10].

Результаты и их обсуждение

В данной статье приведены результаты исследований с помощью ЗС свойств растворов и процессов, происходящих в жидкостных системах во времени и от внешних условий (мицеллообразование, выпадение кристаллов при охлаждении насыщенных растворов, выпадение осадка из раствора, образование ассоциатов и пр. [12-14]).

В качестве исследуемых химических соединений использовали растворы сернокислой меди (CuSO₄) и цинка (ZnSO₄) концентрациями 0.01; 0.005 и 0.001 моль/л, а в качестве осадителя - диэтилдитиокарбамат натрия (ДЭДК). Выбор веществ связан с их практической важностью для экологически чистых технологий в цветной металлургии. В указанных химических веществах протекают следующие ионные реакции:

Cu²⁺ + 2C₅H₁₀NS₂^- Cu(C₅H₁₀NS₂)₂

Zn²⁺ + 2C₅H₁₀NS₂^- Zn(C₅H₁₀NS₂)₂

Проведенные измерения коэффициентов замедления чувствительных элементов на спиральных ЗС при его заполнении растворами исследуемых веществ показали резкое изменение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) (рис. 6) структуры при добавлении осадителя ДЭДК в эквимолярном соотношении.

Сразу после перемешивания растворов зависимости коэффициентов затухания в исследуемом диапазоне частот изменяются достаточно сильно (рис. 7а,б), а далее остаются практически постоянными с течением времени. Следует отметить, что исследования образования осадков в этих соединениях другими методами показали, что реакция протекает полностью примерно за 5 мин. Различие, видимо, связано с тем, что в дальнейшем наблюдается только коагуляция твердых частиц нерастворимых солей.

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика для раствора цинкового купороса и раствора, содержащего осадок (концентрация 0.01 моль/л)

Затухание резонансных пиков в анализируемой частотной области чувствительного элемента на спиральной ЗС зависит от концентрации растворов, тогда как их резонансные частоты остаются практически постоянными при всех концентрациях. Это объясняется достаточно близкими значениями относительных диэлектрических проницаемостей и тангенсов угла диэлектрических потерь исследуемых соединений. Электрические проводимости этих растворов при равных концентрациях практически не изменяются при добавлении ДЭДК.

Рис. 8. Зависимость смещения частоты от концентрации олеата натрия на частоте 95.5 МГц при 22 °С относительно воды

Рис. 9. Зависимость электропроводности раствора олеата натрия от концентрации

Одним из наиболее интересных процессов, которые могут быть исследованы в жидкостных системах при помощи чувствительных элементов на ЗС, является процесс мицелло-образования в водных растворах. Образование различных структур мицелл в растворах по мере повышения их концентрации идет от сферических мицелл (мицеллы Гартли), через эллипсоидальные и цилиндрические до пластинчатых мицелл.

Исходя из литературных данных ККМ для олеата натрия, определенная осмометрическим методом равна 0.003% вес, а по рентгенографическим ККМ составляет 5-6% вес. Такое различие в данных объясняется тем, что осмометрический метод определяет наличие сферических мицелл, они еще не устойчивы в растворе, с помощью рентгенографического метода может быть установлена ККМ, относящаяся к образованию пластинчатых мицелл, в которых молекулы мыла имеют определенную ориентацию.

Появление на графике АЧХ ступеньки, показывающей изменение частоты для раствора олеата натрия в области концентрации 2.5-3% (вес) относительно воды (рис. 8), с учетом зависимости удельной электропроводности от концентрации (рис. 9), можно заключить, что такое поведение связано с процессом образования устойчивых цилиндрических мицеллярных структур, которые являются промежуточным звеном в цепочке, приводящей к образованию пластинчатых мицелл. В результате исследований в области более высоких концентраций от 5 до 10% (вес.) на графиках смещения найден скачок в 3 МГц, а также получена ступенька на графике зависимости электропроводности от концентрации.

Исходя из литературных данных, можно заключить, что такое поведение связано с образованием пластинчатых мицелл. Таким образом, в растворах олеата натрия найдена вторая и третья критические концентрации мицеллообразования, связанные с изменением степени ассоциации (укрупнением мицелл и изменением их формы).

Разработка новых методов исследования свойств жидкостей является важной задачей. Ранее были проведены ряд исследований с помощью зондирования сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением периодических коллоидных структур, структурированных жидкостей. Применение электромагнитного излучения этого диапазона длин волн позволили зафиксировать многие процессы и изменения в жидкостных системах, происходящих под воздействием внешних параметров [14-16].

Применение чувствительных элементов на базе замедляющих систем обеспечивает новые функциональные возможности устройств, позволяющих исследовать процессы, происходящие в жидких средах.

С помощью этих методов мы можем рассматривать процессы, которые проявляются на различных частотах, что позволяет разделять вклады различных составляющих, таких как проводимость, диэлектрическая проницаемость, образование новой фазы, наличие коллоидных образований и мицеллярных структур и другие.

Следует однако отметить, что для исследований физико-химических свойств жид-костей и процессов, происходящих в них, необходимо подбирать оптимальную конфигурацию замедляющей системы.

Выводы

1. Радиоволновые методы контроля технологических сред с чувствительными элементами на спиральных замедляющих системах являются весьма эффективными для изучения превращений в растворах электролитов, связанных с образованием твердой фазы, даже при условии, что их электрическая проводимость не меняется.

2. Высокая чувствительность спиральных замедляющих систем позволяет регистрировать процессы, происходящие в жидкостных системах, связанных с мицеллообразованием в водных растворах олеата натрия и изменением структуры мицелл.

электролит никель сернокислый натрий

Литература

1. Yu.N. Pchelnikov. Medical application of slow-wave structures. 40th Annual Microwave Symposium Proceedings. August 9-11, 2006. P.1-5.

2. Yu.N. Pchelnikov, A.A. Yelizarov. Medical application of slow electromagnetic waves. Proceedings International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies (UHF-99)". St.Petersburg, May 24-28, 1999. P.464-467.

3. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Радиоволновые элементы технологических приборов и устройств с использованием электродинамических замедляющих систем. М.: Радио и связь. 2002. 200с.

4. Елизаров А.А. Технологические процессы и устройства на замедленных электромагнитных волнах: современное состояние и тенденции развития. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 1998. Т.1. №1. С.41-49.

5. Пчельников Ю.Н. Излучение замедленной электромагнитной волны в магнитодиэлектрик. Радиотехника и электроника. 1995. Т.40. №4. С.532-538.

6. Елизаров А.А., Пчельников Ю.Н. Анализ радиоволновых измерительных преобразователей на замедляющих системах. Измерительная техника. 1995. №9. С.57-60.

7. Елизаров А.А. Особенности конструирования радиоволновых измерительных преобразователей на замедляющих системах и их сопряжения со вторичной аппаратурой. Измерительная техника. 1996. №2. С.50-52.

8. Пчельников Ю.Н., Уваров И.А., Рябцев С.И. Прибор для измерения сплошности потока жидкости. Измерительная техника. 1979. №5. С.40-41.

9. Пчельников Ю.Н., Анненков В.В., Елизаров А.А., Фадеев А.В. Применение замедляющих систем для экологического контроля промышленных стоков. Измерительная техника. 1994. №6. С.57-60.

10. Елизаров А.А. Информативные параметры чувствительных элементов на замедляющих системах. Измерительная техника. 1997. №8. С.60-62.

11. Елизаров А.А. Радиоволновые измерения и контроль параметров технологических процессов с помощью чувствительных элементов на замедляющих системах. Измерительная техника. 2001. №1. С.13-17.

12. Астахов М.В., Елизаров А.А., Козулина М.В. Исследование взаимодействия замедленной электромагнитной волны с органическими растворами и дисперсными средами. Тезисы докладов LII Научной сессии, посвященной Дню радио. М. 1997. Ч.II. С.30.

13. Астахов М.В., Евстратова Л.Ю., Елизаров А.А., Родин А.О., Чиркова Ю.Г. Применение чувствительных элементов на спиральных замедляющих системах для контроля процессов образования твердых фаз в растворах электролитов. Измерительная техника. 2004. №9. С.60-63.

14. Астахов М.В., Козулина М.В. Семенов А.А. Взаимодействие периодических коллоидных структур с электромагнитным излучением. Труды 1 Международной конференции по высокоорганизованным соединениям. Санкт-Петербург. 1996. Т.3. С.384-386.

15. Астахов М.В., Резник Л.А. Взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ диапазона со структурированными жидкостями. Труды V и VI Международной конференции по гиромагнитной бестоковой электронике. М. 1997. С.278-282.

Размещено на Allbest.ru