СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДСОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01N27/60 

Изобретение относится к физической химии, а именно к средствам исследования поверхностных процессов, протекающих на границе твердое тело - жидкость, содержащим поверхностно-активные вещества-присадки, в частности к определению адсорбционных свойств жидких углеводородов, таких как топливо, масла и их смеси, при контакте с металлом, что необходимо, например, для определения смазывающих характеристик смазок, топлива.

Известен способ определения адсорбционных свойств жидкости, например масла, при контакте с металлом. Способ осуществляется следующим образом. У чистого образца металла, выполняющего функцию измерительного электрода в емкостном датчике, определяют работу выхода электродов (РВЭ) по замеру контактной разности потенциалов. Затем образец помещают в исследуемое вещество на определенный интервал времени и снова проводят замер, продолжая до тех пор, пока КРП не станет постоянной, т.е. до наступления адсорбционного насыщения.

КРП измеряют с помощью вибрирующего сравнительного электрода. Далее определяют адсорбционные характеристики исследуемого вещества по разности величин КРП после адсорбции молекул вещества (масла) на металле и КРП чистой металлической поверхности. Химия и технология топлив и масел, N 10, 1970, с. 43 - 47).

Недостатками известного способа, принятого за прототип, являются невысокие точность и надежность определения адсорбционных свойств жидкостей, обусловленные при измерении КРП наличием вибрирующего сравнительного электрода, а также недостаточно чистой поверхностью образца металла, что приводит к нестабильным электрическим параметрам.

Известно устройство для определения адсорбционных свойств жидкостей, таких как топливо, масла, смазки и смеси с присадками, при контакте с металлами. Устройство содержит емкостной датчик, представляющий конденсатор переменной емкости и образованный неподвижным измерительным и подвижным вибрирующим электродами (сравнительным). Измерительный электрод последовательно соединен с усилителем и индикатором нулевого сигнала, а сравнительный - с приводом и источником питания. В качестве привода сравнительного электрода использован камертон, резонансную частоту колебания которого соответственно устанавливают посредством электромагнита, соединенного с генератором раскачки камертона. При этом электромагнит и генератор окончательно крепят только после настройки, т.е. после нахождения такого местоположения электромагнита, при котором камертон работает во всем диапазоне регулирования потенциометра, управляющего вибрацией камертона. Сравнительный электрод выполнен из золота. Контроль и установка прибора осуществляются с помощью объемного эталонного золотого электрода (Химия и технология топлив и масел, N 10, 1970, с.43 - 47).

Недостатком прототипа являются невысокие точность и надежность определения адсорбционных свойств жидкостей, обусловленные тем, что для сравнительного электрода, предполагающего работать в режиме острого резонанса, характерна нестабильность частоты раскачки, небольшое отклонение которой изменяет расстояние между электродами, что влечет за собой ослабление сигнала из-за изменения электрической емкости. Кроме того, использование дорогостоящих благородных металлов в качестве электродов удорожает устройство.

Задачей изобретения является создание средств, повышающих точность и надежность определения адсорбционных свойств жидкостей без использования дорогостоящих благородных металлов за счет стабильных электрических параметров.

Указанная задача в способе определения адсорбционных свойств жидких углеводородов при контакте с металлами, включающем выдерживание предварительно очищенного образца металла, выполняющего функцию измерительного электрода в емкостном датчике, в жидкости с различными интервалами воздействия до полного адсорбционного насыщения, измерение РВЭ по КРП чистого образца и выдержанного в жидкости на каждом интервале, определение адсорбционных характеристик жидкостей по разности изменений КРП чистого и покрытого электрода, достигается тем, что очистку образца-электрода производят в несколько этапов: обезжиривание, обработка адсорбентом с развитой адсорбирующей поверхностью и промывка высоколетучим реагентом, а контактную разность потенциалов замеряют приведением образца в контакт с вращающимся сравнительным электродом емкостного датчика.

Кроме того, устройство для осуществления способа и решения поставленной задачи, содержащее емкостной датчик, образованный неподвижным измерительным и подвижным сравнительным электродами, последний из которых соединен с приводом и источником питания, а первый - последовательно с усилителем и индикатором нулевого уровня, имеет в качестве привода синхронный электромотор с возможностью передачи вращения на сравнительный электрод, который как и измерительный выполнен в виде прямоугольной пластины.

Также в устройстве измерительный и сравнительный электроды выполнены из одного металла.

Многоэтапная очистка образца позволяет получить высокую степень чистоты поверхности электрода и тем самым повысить точность определения адсорбционных свойств исследуемых жидкостей.

Форма выполнения электродов и вращательная способность сравнительного электрода создают конденсатор переменной емкости, т.е. емкостной датчик, посредством которого производят измерение КРП. Измерение КРП при помощи сравнительного электрода, получающего вращение от синхронного электромотора, позволяет обеспечить постоянное расстояние между ним и неподвижным электродом, что обеспечивает стабильно электрические параметры, улучшающие точность и надежность определения адсорбционных свойств.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена общая схема устройства.

Способ определения адсорбционных свойств осуществляется следующим образом.

Образец из конструкционного металла - измерительный электрод обезжиривают, например, бензином Б-70, затем обрабатывают адсорбентом с развитой адсорбирующей поверхностью, например порошком активированного угля, после чего промывают реагентом, например петролейным эфиром, затем замеряют КРП, очищенного таким образом: электрод погружают на определенное время, например на 1,5, 10 и 20 мин, в исследуемую жидкость и производят повторные замеры КРП.

Необходимо отметить, что для большинства исследуемых жидких сред через 20 мин КРП становится величиной постоянной, что указывает на наступление адсорбционного насыщения.

Изменение РВЭ вследствие адсорбции определяют как разность значений КРП чистого и обработанного исследуемой жидкостью электрода, т.е.

±ΔKPП = КРП_ч - КРП_п,
где
ΔKPП - изменение контактной разности потенциалов в мв;
КРП_ч - контактная разность потенциалов очищенных электродов в мв;
КРП_п - контактная разность потенциалов при измерительном электроде, покрытого исследуемой средой, в мв.

КРП замеряют с помощью вращающегося сравнительного электрода емкостного датчика.

Устройство, с помощью которого осуществляется способ, содержит емкостной датчик 1, представляющий собой конденсатор переменной емкости, образованный образцом из конструкционного металла, например стали марки СТ-45, выполняющим функцию измерительного электрода 2 и установленным неподвижно, и сравнительным электродом 3, установленным с возможностью вращения от привода 4, в качестве которого использован синхронный электромотор.

Электрод 3 также выполнен из стали марки СТ-45. Оба электрода имеют форму прямоугольных пластин. Электрод 2 последовательно соединен с усилителем 5 и индикатором нулевого сигнала 6. Электрод 3 через переключатель 7 соединен с сопротивлением нагрузки 8, а также с компенсатором помех 9, в цепи которого имеется источник питания 10, потенциометр 11 и милливольметр 12.

Устройство работает следующим образом.

Измерительный электрод 2 устанавливают неподвижно и фиксируют расстояние между ним и сравнительным электродом 3 с помощью винтового микрометра, а затем приводят электрод 3 во вращение с помощью синхронного электромотора 4. При этом образуется конденсатор переменной емкости C_к. При наличии разности РВЭ обкладок конденсатора в последнем будет существовать заряд q_c, определяемый его емкостью. Вследствие постоянной величины этого заряда при изменении емкости конденсатора из-за вращения электрода 3 будет изменяться выходное напряжение V_в.

Так как q_c = V_k•C_k = V_в•C_в, то V_в = V_k•C_k/C_В
где q_с - постоянный заряд конденсатора;
V_в - напряжение на входе усилителя;
V_k - напряжение на обкладках конденсатора;
C_в - входная емкость усилителя;
C_к - переменная емкость конденсатора.

Контактная разность потенциалов (КРП) равна разности работ выхода электрона из измерительного и сравнительных электродов, образующих обкладки плоского конденсатора (Новое в разработке и применении методов испытания моторных масел и присадок. Тематический обзор. Сер. Переработка нефтей, М.: ЦНИИТЭнефтехим., 1974, с.35 - 37)
Поэтому
где ϕ_из и ϕ_cp - работа выхода электрона измерительного и сравнительного электродов;
e - заряд электрона.

При условии C_в = Const, т.е. при постоянной емкости усилителя 5, на индикаторе нулевого сигнала 6 возникает сигнал, пропорциональной величине V_к, т. е. контактной разности потенциалов. При подаче с потенциометра 11 противонапряжения, равного V_к, падение потенциала на конденсаторе будет равно нулю и индикатор 6 покажет отсутствие сигнала. Обычно для простоты и удобства приводятся значения V_к (КРП) в милливольтах, а изменение контактной разности потенциалов (ΔKPП) определяют, как разность значений КРП_чис чистых электродов и КРП_п после адсорбции исследуемой жидкости на измерительном электроде, т.е. ± ΔKPП = КРП_ч - КРП_п.

Пример 1. Определение КРП_ч. Электроды 2 и 3 изготовлены из стали марки СТ-45. После очистки электрода 2 измерение КРП составило в среднем после пяти измерений - 220±10 мв. Аналогичные измерения по инструкции определения ΔKPП , составленной во ВНИИНП в 1975 г., величина КРП_ч составила 220±20 мв. Таким образом погрешность измерения по предлагаемому изобретению составляет не более ±5%, а по известной методике ±10%.

Пример 2. Определение ΔKPП различных химически чистых углеводородов. В соответствии с изобретением были оценены различные углеводороды с временем выдержки в них электрода 20 мин. Результаты оценки приведены в табл. 1.

Таким образом с помощью предлагаемых способа и устройства можно точно и надежно оценивать различные углеводороды.

Пример 3. Определение ΔKPП нейтральных и высокощелочных сульфонатных присадок, полученных на основе синтетических алкилароматических соединений, и оценка их противоизносных свойств.

Были взяты 5%-ные растворы присадок в масле M-6. Измерения проводились электродом, выполненным из стали марки СТ-45 в соответствии с предлагаемым изобретением. Испытание противоизносных свойств сульфонатов осуществлялось на четырехшариковой машине трения ЧШМ - 3 - 2 по ГОСТ 9490-75 при нагрузке 137 H в течение 4 ч с применением шаров диаметром 12,7 мм из стали марки ШХ-15. Результаты измерений и испытаний приведены в табл. 2. (Азербайджанское нефтяное хозяйство N 9, 1984, Баку, с.46, 47).

Из приведенных данных видно, что введение в исходное масло сульфонатных присадок улучшает его адсорбционные свойства. Среди исследуемых сульфонатных присадок как нейтральных, так и высокощелочных наибольшей способностью обладают присадки, полученные на основе алкилфенола (ИХП-226 и ИХП-227). При этом видно, что высокощелочные синтетические сульфонаты обладают более высокой адсорбционной способностью по сравнению с нейтральными.

Такая же закономерность установлена и при определении противоизносных свойств сульфонатов, т.е. все образцы сульфонатов улучшают указанные свойства, причем высокощелочные присадки эффективнее нейтральных.

Таким образом, предлагаемое изобретение способствует определению не только адсорбционных, но и противоизносных свойств жидких углеводородов.

Использование: в физической химии, в частности для определения адсорбционных свойств жидких углеводородов. Сущность изобретения: способ определения адсорбционных свойств жидких углеводородов при контакте с металлом заключается в измерении контактной разности потенциалов между металлическим образцом, который является измерительным электродом емкостного датчика, и сравнительным электродом датчика. Перед первым измерением измерительный электрод очищают путем обезжиривания поверхности, обработки адсорбентом с развитой адсорбирующей поверхностью и промывки высоколетучим реагентом. Перед вторым измерением контактной разности потенциалов измерительный электрод выдерживается в исследуемой жидкости до полного адсорбционного насыщения. При изменении контактной разности потенциалов определяют адсорбционные свойства жидкости. При измерении разности потенциалов измерительный электрод приводят в контакт с вращающимся сравнительным электродом. Устройство содержит неподвижный измерительный электрод, подвижный сравнительный электрод, источник питания, усилитель и индикатор нулевого уровня. Сравнительный электрод приводится во вращение с помощью синхронного электромотора. Электроды выполнены в виде прямоугольных пластин. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ определения адсорбционных свойств жидких углеводородов при контакте с металлом, включающий два измерения контактной разности потенциалов между измерительным и сравнительным электродами емкостью датчика, при этом измерительный электрод является металлическим образцом, который перед первым измерением очищается, а перед вторым измерением выдерживается в исследуемой жидкости до полного адсорбционного насыщения, при изменении контактной разности потенциалов между электродами определяют адсорбционные свойства исследуемой жидкости, отличающийся тем, что очистку образца металла выполняют путем последовательного обезжиривания, обработки адсорбентом с развитой адсорбирующей поверхностью и промывки высоколетучим реагентом, а при измерении контактной разности потенциалов измерительный электрод приводят в контакт с вращающимся сравнительным электродом. 2. Устройство для определения адсорбционных свойств жидких углеводородов, содержащее емкостной датчик, включающий неподвижный измерительный электрод и подвижный сравнительный электрод, соединенный с приводом и с источником питания, усилитель и индикатор нулевого уровня, при этом измерительный электрод, усилитель и индикатор нулевого уровня соединены последовательно, отличающееся тем, что в качестве привода использован синхронный электромотор, выполненный и установленный с возможностью передачи вращения на сравнительный электрод, причем сравнительный и измерительный электроды выполнены в виде прямоугольной пластины. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что измерительный и сравнительный электроды выполнены из одного металла.