СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ВОДНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Российский патент 1997 года по МПК B01D61/00 G01N15/06 

Изобретение относится к области химического контроля водного теплоносителя. Предлагаемое изобретение целесообразно использовать для химического контроля водного теплоносителя и технологических вод атомных и тепловых станций.

В настоящее время для определения фракционного состава используются методы, основанные на непосредственном подсчете частиц различного размера с использованием сложной увеличительной техники, и накопительные методы с использованием в качестве фильтрующих элементов пористых мембран с различным размером пор.

К недостаткам методов, основанных на подсчете частиц, можно отнести следующие:
сложное аппаратурное оформление;
недостаточная статистическая достоверность ввиду невозможности подсчета частиц во всем объеме анализируемой пробы.

Простейшим приемом дисперсного анализа, которым часто пользуются в практике исследования продуктов коррозии (ПК), является дискриминация частиц с использованием мембранного фильтра с достаточно малым размером пор, обычно около 0,45 мкм. Считают, что количество ПК, собранных на фильтре, характеризует взвешенную составляющую, а в фильтрате растворенную и коллоидную составляющие.

Данный способ может быть усовершенствован либо за счет параллельного применения фильтров с разным размером пор, либо путем использования сборки фильтров, расположенных по мере убывания размеров пор по ходу движения анализируемой пробы. Однако даже сложные сборки фильтров не решают задачу определения фракционного состава анализируемой дисперсной системы, а производят лишь разделение фаз дисперсной среды и неколичественное накопление осадка на отдельных фильтрах сборки, что не позволяет точно измерить размеры составляющих среду частиц. Возможности метода ограничивают электрокинетические эффекты при движении дисперсной среды относительно мембраны. В лабораторной практике некоторое распространение получил метод кондуктометрического дисперсного анализа [1] Метод основан на изменении электропроводимости при прохождении дисперсными частицами, находящимися в растворе электролита, через капиллярное измерительное отверстие. Недостаточное разрешение при исследовании высокодисперсных частиц (технически достижимый нижний предел 1 мкм), а также необходимость введения в пробу постороннего вещества (электролита) препятствуют широкому распространению данного метода.

Ближайшим аналогом заявляемого способа является способ определения фракционного состава дисперсной системы путем параллельной фильтрации анализируемой пробы через фильтры с различным размером пор [2]
Основным недостатком данного способа является его недостаточная достоверность. Иллюстрацией этого могут служить исследования [3] в которых показано, что эффективность фильтрации частиц с размерами примерно 0,15 мкм существенно зависит от размеров пор фильтров и от pH анализируемой системы. Кроме этого, недостатками данного способа являются большая дискретность размера пор мембран, выпускаемых промышленностью, и их малое проходное сечение.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении достоверности и оперативности определения фракционного состава водных дисперсных систем различной природы, особенно при малой концентрации в них дисперсной фазы и в небольшом диапазоне измерений.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что анализируемую пробу фильтруют через пористую мембрану с размером пор не более 5,0 мкм, на которую намывают коллоидную гидроокись цинка 1,0 2,0 мг Zn/см², причем намывной слой предварительно готовят пропусканием через мембрану водного раствора хлорида цинка определенной концентрации (0,1 100 г ZnCl₂/л), содержащего коллоидную гидроокись цинка. В анализируемую пробу перед фильтрацией добавляют хлорид цинка до той же концентрации, при этом содержание дисперсной среды в анализируемой пробе определяют по ее количеству на фильтрующем элементе.

Размер пор мембраны обусловлен качеством намытого слоя оксида цинка и выбирается из условия: D_мембр > D_частиц. Плотность намывного слоя определяется гидравлическим сопротивлением фильтра и эффективностью его очистки. При величине намыва менее 1 мг Zn/см² эффективность очистки не превышает 70% а для мембран с удельной плотностью намыва больше 2 мг Zn/см² резко возрастает гидравлическое сопротивление этого слоя. При намыве на пористую мембрану коллоидной окиси цинка образуется периодическая коллоидная структура (ПКС) с размером мицелл и соответственно пор ПКС, определяемым концентрацией электролита в намывочном и анализируемом растворе. Общеизвестно, что размер мицелл зависит от концентрации электролита пропорционально величине: Const /(C_{элект ролит})^0,5(например, 4).

Таким образом, для достижения поставленной цели необходимо лишь определить величину константы в представленном выше уравнении.

Основной трудностью всех известных методов дисперсного анализа является калибровка по размерам частиц, особенно в области меньше нескольких микрометров. Для этого необходимы монодисперсные системы, создание которых является достаточно сложной технической задачей. Для решения поставленной задачи в качестве калибровочных дисперсных систем были использованы полидисперсные системы, ограниченные по размерам частиц сверху. Для этого анализируемая проба перед фильтрацией на предлагаемых фильтрующих элементах пропускалась через ядерные лавсановые мембраны с калиброванным размером пор.

Пример. Модельная дисперсная система, приготовленная путем диспергирования гематита (Fe₂O₃) в водном растворе хлорида цинка различной концентрации, последовательно пропускалась через мембранный фильтр с калиброванным размером пор (0,12; 0,57; 1,1; 2,0; 2,5 мкм) и фильтр с предложенным фильтрующим элементом. Концентрация железа определялась химическим анализом (с сульфосалициловой кислотой) в фильтратах первого и второго фильтра и на фильтрующем элементе второго фильтра. Объем анализируемой пробы 1 л. Концентрация гематита в анализируемой пробе 0,1 1,0 мг/л. Результаты проведенных исследований представлены в таблице.

Как видно из представленной таблицы, при величине размера пор калиброванной мембраны ниже расчетной на втором фильтре задерживается не более 5% пропущенного через него гематита, в то время как при использовании калиброванных мембран с размером пор выше расчетных эффективность второго фильтра достигает величины 80-98% Данный факт подтверждает правильность определения искомой величины константы.

Преимущества данного способа по сравнению с ближайшим аналогом:
1. Высокая степень достоверности анализа за счет практически полного задержания дисперсных частиц мембраной с намытым на ней слоем фильтрующего материала.

2. Возможность проведения дисперсного анализа достаточно монодисперсных систем (в сколь угодно узком диапазоне размера частиц анализируемой дисперсной фазы).

3. Сокращение времени проведения анализа.

Литература
1. Рабинович Ф.М. Кондуктометрический метод дисперсного анализа. Л. Химия, 1970, 196 с.

2. Дисперсный состав продуктов коррозии. И.К.Морозова, В.В. Герасимов, А.И. Громова, А.В. Женихова, Теплоэнергетика, 1970, N 10, с. 72 74.

3. Winkler R. Korrosions produkten in Primarkreislauf von Druckwasserraktoren. Kernenergie. 1969. V. 12, N 11. P. 347-351.

4. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М. Химия, 1982.

Использование: контроль водного теплоносителя и технологических вод атомных и тепловых электростанций. Сущность изобретения: для определения фракционного состава водных дисперсных систем анализируемая проба пропускается через пористые мембраны, на которые предварительно намывают слой гидроокиси цинка, а в анализируемую пробу добавляют хлористый цинк, концентрация которого определяет максимальный размер дисперсных частиц, задерживаемых фильтрующим элементом. 1 табл.

Способ определения фракционного состава водных дисперсных систем путем пропускания анализируемой пробы параллельно через несколько фильтрующих элементов с различным размером пор и определения содержания дисперсной фазы в анализируемой пробе по ее содержанию на фильтрующих элементах, отличающийся тем, что в качестве фильтрующих элементов используют пористые мембраны со слоем коллоидной гидроокиси цинка 1 2 мг Zn/см², предварительно намытым на мембрану путем пропускания через нее водного раствора хлорида цинка с концентрацией 0,1 100 г ZnCl₂/л, содержащего диспергированную коллоидную гидроокись цинка, а в анализируемую пробу перед фильтрацией добавляют хлорид цинка до той же концентрации, и максимальный диаметр коллоидных частиц, задерживаемых фильтрующими элементами, определяют по формуле

где D_i максимальный диаметр частиц, задерживаемых i-ым фильтрующим элементом, мкм;
концентрация хлорида цинка в растворе, пропускаемом через i-й фильтрующий элемент, г/л.