СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
METHOD OF DETERMINING CONCENTRATION AND IDENTIFYING SURFACTANTS IN AQUEOUS SOLUTIONS

Предлагаемое изобретение относится к области физических измерений и может найти широкое применение для анализа и контроля водных сред промышленного и бытового назначения.
Известен способ определения концентрации поверхностно-активных веществ путем образования растворимых в хлороформе комплексных соединений поверхностно-активных веществ с красителем мителеновым голубым с последующим экстрагированием хлороформом и колориметрическим определением экстинкции окрашенных комплексов поверхностно-активных веществ в экстракте. Концентрацию поверхностно-активных веществ в исследуемом растворе находят затем по калибровочной кривой зависимости экстинкции от концентрации эталонного поверхностно-активных веществ в стандартных растворах, обработанных вышеуказанным способом, и выражают в миллиграммах эталонного поверхностно-активных веществ на литр исследуемого раствора (Методика технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации, 3-е изд., М., Стройиздат, 1977, с.108-110).
Недостатками этого способа являются невозможность идентификации поверхностно-активных веществ в исследуемых водных растворах, кроме того, способ является достаточно трудоемким, характеризуется длительным временем проведения анализа и малой достоверностью результатов, а также вредными условиями труда персонала, связанными с необходимостью работы с органическими растворителями.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водных растворах, реализованный в устройстве для определения концентрации поверхностно-активных веществ в водных средах (Патент на полезную модель №96968, G01N 13/02, опубликовано 20.08.2010), основанный на определении в исследуемом водном растворе зависимостей мгновенных значений поверхностного натяжения при уменьшении и увеличении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» и зависимости мгновенных значений поверхностного натяжения от времени при адсорбции ПАВ в объем раствора, идентификации и определении концентрации ПАВ, присутствующих в водном растворе с использованием базы данных эталонных зависимостей, полученных аналогично с растворами, содержащими известные ПАВ в установленных концентрациях.
Недостатками способа-прототипа являются низкая точность определения концентрации, невысокая вероятность правильной идентификации, сложность процедуры идентификации (большой объем вычислительных операций при проведении процедуры идентификации).
Технической задачей изобретения является повышение точности определения концентрации и вероятности правильной идентификации поверхностно-активных веществ, присутствующих в водных растворах, а также упрощение процедуры идентификации.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения концентрации и идентификации поверхностно-активных веществ в водных растворах, заключающемся в том, что в исследуемом водном растворе определяют зависимость мгновенных значений поверхностного натяжения при увеличении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» и зависимость мгновенных значений поверхностного натяжения от времени при адсорбции ПАВ в объем раствора, идентифицируют поверхностно-активные вещества, присутствующие в водном растворе, используя базу данных эталонных зависимостей, полученных аналогично с растворами, содержащими известные ПАВ в установленных концентрациях, дополнительно измеряют разность мгновенных значений поверхностного натяжения в исследуемом водном растворе при уменьшении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух», по которой определяют концентрацию с использованием калибровочных кривых, предварительно построенных для определенных ПАВ, наиболее предполагаемых к обнаружению в исследуемых водных растворах, выбор калибровочной кривой осуществляется по результатам идентификации, зависимости мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от времени при адсорбции ПАВ в объем раствора снимают при минимальной площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух».
Сущность способа определения концентрации и идентификации поверхностно-активных веществ в водных растворах поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлены калибровочные кривые для определения концентрации поверхностно-активных веществ в водных растворах, отражающие зависимость разности мгновенных значений поверхностного натяжения (мН/м) от объемной концентрации поверхностно-активных веществ (мг/л); на фиг.2 представлены эталонные и экспериментальные зависимости мгновенных значений поверхностного натяжения (мН/м) от времени (с) при адсорбции поверхностно-активных веществ в объем раствора во времени; на фиг.3 представлены эталонные и экспериментальные зависимости мгновенных значений поверхностного натяжения (мН/м) от площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» (метр квадратный) при увеличении последней.
Сущность способа определения концентрации и идентификации поверхностно-активных веществ в водных растворах заключается в следующем.
Определение концентрации и идентификацию поверхностно-активных веществ осуществляют в следующей последовательности: вначале проводят идентификацию поверхностно-активных веществ, присутствующих в водном растворе, по результатам идентификации формируют перечень присутствующих поверхностно-активных веществ, в соответствии с которым выбирают калибровочную кривую и определяют концентрацию присутствующих веществ.
Идентификация поверхностно-активных веществ проводится в два этапа путем сравнения параметров зависимостей, полученных при проведении физического эксперимента с исследуемым водным раствором, с соответствующими параметрами эталонных зависимостей, хранящимися в базе данных. Эталонные зависимости снимаются предварительно и характеризуют различные растворы, каждый из которых содержит определенное поверхностно-активное вещество в установленной концентрации.
Параметры названных зависимостей и калибровочной кривой функционально связаны с составом и концентрацией поверхностно-активных веществ, присутствующих в исследуемом водном растворе, что позволяет идентифицировать присутствующие в растворе вещества и определить их концентрацию.
В качестве зависимостей, применяемых для идентификации поверхностно-активных веществ, на первом этапе используют зависимость мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от времени при адсорбции или десорбции поверхностно-активных веществ в объем раствора, на втором этапе - зависимость мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» при увеличении последней.
По результатам сравнений на первом этапе идентификации формируют перечень поверхностно-активных веществ, предположительно присутствующих в водном растворе, для которых отбирают соответствующие эталонные зависимости и проводят второй этап идентификации. По результатам сравнений на втором этапе идентификации формируют окончательный перечень поверхностно-активных веществ, присутствующих в водном растворе.
В качестве параметров для сравнения зависимостей, полученных при проведении физического эксперимента в исследуемом водном растворе, и эталонных зависимостей, хранящихся в базе данных, используют количество участков линейного изменения поверхностного натяжения, присутствующих в зависимости, а также значения характеристик отдельных участков: среднее/максимальное/минимальное значение поверхностного натяжения на участке; средняя скорость изменения поверхностного натяжения на участке; начальные и конечные координаты участка по оси абсцисс.
Определение концентрации поверхностно-активных веществ, присутствующих в водном растворе, производят калибровочной кривой, выбранной в соответствии с обнаруженными поверхностно-активными веществами, используя разность мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе, также полученную при проведении физического эксперимента с исследуемым раствором.
Физический эксперимент с исследуемым водным раствором включает следующие три этапа.
На первом этапе получают разность мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе при уменьшении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» от начального до конечного значений.
На втором этапе определяют зависимость мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от времени при адсорбции или десорбции поверхностно-активных веществ в объем раствора. При этом площадь поверхности раздела фаз «раствор-воздух» минимальна, постоянна и соответствует конечной площади на первом этапе эксперимента.
На третьем этапе определяют зависимость мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» при увеличении последней. При этом начальная площадь минимальна и соответствует конечной площади, достигнутой на первом этапе эксперимента, а конечная - максимальна и соответствует начальной площади на первом этапе эксперимента.
При проведении физического эксперимента для измерения мгновенных значений поверхностного натяжения возможно использовать простейшие известные датчики поверхностного натяжения, например пластинку Вильгельми, связанную с весами или механотроном. Изменение площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух», на которой производят измерение мгновенных значений поверхностного натяжения, осуществляется в известных устройствах, например ванне Ленгмюра с подвижным барьером.
Базу данных эталонных зависимостей для идентификации поверхностно-активных веществ и калибровочные кривые для определения концентрации предварительно получают следующим образом. Изготавливают ряд эталонных растворов, каждый из которых содержит определенное поверхностно-активное вещество в установленной концентрации. Номенклатура растворов определяется перечнем поверхностно-активных веществ, наиболее предполагаемых к обнаружению в исследуемых водных растворах, а также значениями наиболее вероятных их концентраций. Помимо этого изготавливают эталонные растворы, содержащие наиболее вероятные смеси вышеназванных поверхностно-активных веществ в наиболее вероятных концентрациях. Далее проводят вышеописанный эксперимент для каждого эталонного раствора.
В ходе первого этапа эксперимента получают разность мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе при уменьшении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» для каждого эталонного раствора и по результатам всех экспериментов, проведенных для растворов с различными концентрациями определенного поверхностно-активного вещества, строят калибровочную кривую. В ходе второго и третьего этапов эксперимента получают названные выше зависимости для каждого из растворов определенных поверхностно-активных веществ с различными концентрациями.
Полученные значения калибровочных кривых и параметры зависимостей заносят в базу данных для использования при идентификации и определении концентрации поверхностно-активных веществ.
В качестве примера применения способа рассмотрена идентификация и определение концентрации поверхностно-активных веществ в водных растворах, являющихся технологической средой теплоэнергетического оборудования.
Поверхностно-активными веществами, наиболее предполагаемыми к обнаружению в названных водных растворах, являются турбинное масло в диапазоне наиболее вероятных концентраций 0,04-0,4 мг/л и октадециламин в диапазоне наиболее вероятных концентраций 0,01-0,3 мг/л.
Для получения базы данных эталонных зависимостей для идентификации поверхностно-активных веществ и калибровочных кривых для определения концентрации приготовили ряд эталонных растворов, содержащих турбинное масло и октадециламин в различных концентрациях.
Физические эксперименты по измерению разности мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе при уменьшении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» и определению описанных зависимостей проведены с использованием тензиометрического анализатора жидкости (Прибор для определения поверхностных свойств жидкостей / Ю.М.Абраменко, А.А.Абрамзон, Г.П.Бенинг и др. «Коллоидный журнал», 1987, №1, с.122-126).
По результатам проведенных экспериментов для эталонных растворов, содержащих турбинное масло, построена калибровочная кривая 1.1 для определения концентрации и определены зависимости, используемые для идентификации: ряд зависимостей мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от времени при адсорбции поверхностно-активных веществ в объем раствора, включая зависимости 1.2-1.4 для концентраций турбинного масла 0,04; 0,06; 0,4 соответственно и ряд зависимостей мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» при увеличении последней, включая зависимости 1.6-1.8 для тех же концентраций турбинного масла.
Аналогично построена калибровочная кривая 2.1 для определения концентрации октадециламина и определены зависимости, используемые для идентификации, включая зависимости 2.2-2.4 мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от времени при адсорбции поверхностно-активных веществ в объем раствора для концентраций октадециламина 0,01; 0,2; 0,3 соответственно и зависимости 2.6-2.8 мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» при увеличении последней для тех же концентраций октадециламина.
Полученные значения калибровочных кривых и параметры названных зависимостей занесены в базу данных.
В примере в качестве исследуемых растворов использовали раствор, содержащий турбинное масло с концентраций 0,06 мг/л, и раствор, содержащий октадециламин с концентрацией 0,2 мг/л, на которых провели описанные физические эксперименты.
Для исследуемых растворов, содержащих турбинное масло и октадециламин, определены соответственно: разность мгновенных значений поверхностного натяжения при уменьшении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» 6,5 мН/м и 13 мН/м, зависимости 1.5 и 2.5 мгновенных значений поверхностного натяжения от времени при адсорбции поверхностно-активных веществ в объем раствора, зависимости 1.9 и 2.9 мгновенных значений поверхностного натяжения от площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» при увеличении последней.
По результатам сравнения на первом этапе идентификации наиболее совпали параметры экспериментальных и эталонных зависимостей 1.5 и 1.3 для раствора, содержащего турбинное масло, а также 2.5 и 2.3 для раствора, содержащего октадециламин. Это позволяет сделать предварительный вывод о присутствии в исследуемых растворах поверхностно-активных веществ, относящихся к группе турбинных масел и октадециламинов соответственно.
Для проведения второго этапа идентификации из базы данных выбрали соответствующие эталонные зависимости 1.7 и 2.7 мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» при увеличении последней. Сравнение параметров выбранных эталонных и полученных экспериментальных зависимостей 1.9 и 2.9 показало их совпадение с требуемой точностью, что подтверждает выводы о присутствии в исследуемых растворах поверхностно-активных веществ, относящихся к группе турбинных масел и октадециламинов соответственно.
По результатам идентификации для определения концентрации поверхностно-активных веществ в исследуемых растворах выбраны калибровочные кривые 1.1 и 1.2 соответственно, по которым с использованием полученной разности мгновенных значений поверхностного натяжения при уменьшении площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух» определена объемная концентрация присутствующих поверхностно-активных веществ 0,062 мг/л и 0,206 мг/л соответственно.
Таким образом, поверхностно-активные вещества, присутствующие в исследуемых растворах, были правильно идентифицированы, а ошибка определения концентрации составила: в растворе турбинного масла: +3,3%; в растворе октадециламина: +3,0%.
Согласно изобретению возможно оперативно и более точно идентифицировать и определить концентрацию поверхностно-активных веществ в водных растворах. Высокая точность определения концентрации достигается за счет использования и обоснованного выбора калибровочной кривой по результатам идентификации. Высокая вероятность правильной идентификации достигается за счет определения зависимости мгновенных значений поверхностного натяжения в водном растворе от времени при адсорбции поверхностно-активных веществ в объем раствора при минимальной площади поверхности раздела фаз «раствор-воздух». Способ обеспечивает возможность автоматизации процесса определения концентрации и идентификации поверхностно-активных веществ.
Использование нескольких зависимостей для идентификации и калибровочной кривой для определения концентрации, определяемых в ходе эксперимента в короткие временные сроки на несложном оборудовании, позволяет путем сравнения их параметров с параметрами эталонных зависимостей, хранящихся в базе данных, повысить вероятность правильной идентификации и определения концентрации поверхностно-активных веществ.
Использование изобретения обеспечивает его широкое применение в промышленности для анализа водных технологических сред теплоэнергетического оборудования при экспресс-контроле производственных процессов, связанных с водоподготовкой и водопотреблением, также способ может применяться при экологическом мониторинге бытовых водных сред и стоков.