СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ Российский патент 2006 года по МПК G01N33/18 G01N27/00 

Изобретение относится к исследованию и анализу воды и может быть использовано для определения состояния электрохимически активированной воды в разное время после активации. Электрохимически активированная вода или растворы, приготовленные на ее основе, применяются в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и текстильной промышленности, производстве строительных материалов и т.д. Такое широкое применение электрохимически активированной воды указывает, что под ее влиянием повышается биологическая, химическая активность веществ, улучшаются товарные свойства производимой продукции, что обусловлено структурными изменениями данной воды по сравнению с неактивированной. Но электрохимически активированная вода обладает способностью релаксировать к исходному состоянию, утрачивая при этом активирующие свойства, результатом чего является снижение эффективности процессов, протекающих с ее участием. В связи с этим для эффективного применения электрохимически активированной воды имеет значение возможность определения ее состояния в разное время после активации.

Известно, что различие состояний исходной и активированной в автоклаве воды установлено методами потенциометрического и кондуктометрического титрования (Летников Ф.А., Кащеева Т.В., Минцис А.Ш. Активированная вода. - Новосибирск: Наука, 1976, 134 с.). Кривые потенциометрического и кондуктометрического титрования сравниваемых водных систем имели разную динамику.

Известно, что эффективность магнитной обработки водной системы определяли методом диэлектрометрии (Семихина Л.П., Салецкий А.М. // Химия и технология воды, т.13, №1, 1991, с.80-82). В омагниченной воде по сравнению с исходной изменялась величина тангенса диэлектрических потерь.

Известно применение методов потенциометрического, кондуктометрического титрования, диэлектрометрии для определения состояния электрохимически активированной воды (Плакатина О.С., Борбат В.Ф., Мухин В.А., Андреева А.Л. Тангенс диэлектрических потерь как индикатор электрохимической активации воды. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1992, Т.35, вып.11-12, с.142-143; Плакатина О.С., Борбат В.Ф., Мухин В.А. Потенциометрическая и кондуктометрическая индикация эффекта электрохимической активации воды. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1993, Т.36, вып.6, с.44-47). Сравнение кривых потенциометрического и кондуктометрического титрования растворами электролитов, тангенсов диэлектрических потерь растворов электролита на основе неактивированной и электрохимически активированной воды показало их достоверное отличие.

Но указанные методы имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в производственных условиях. Во-первых, необходима большая подготовительная работа, заключающаяся в выборе электролита, его концентрации. В методе диэлектрометрии необходимо установить диапазон частот, в котором наблюдаются наибольшие диэлектрические потери. При проведении потенциометрического и кондуктометрического титрования с целью индикации состояния растворителя имеет значение объем пробы раствора титранта. Изменение рН, электропроводности, тангенса диэлектрических потерь обусловлено взаимным влиянием электролита и растворителя. Следовательно, необходим наиболее чувствительный к состоянию воды электролит. Чтобы усилить влияние электрохимически активированной воды на свойства электролита, возможно использование очень разбавленных растворов. В титриметрических методах концентрация растворов титрантов составляла 10^-4 моль/л. Для определения тангенса диэлектрических потерь на электрохимически активированной и неактивированной воде готовились растворы сульфата натрия концентрацией 10^-3 экв/л. Более концентрированные растворы электролитов нивелировали различия в состояниях неактивированного и электрохимически активированного растворителей. Использование столь разбавленных растворов электролитов создавало условия получения экспериментальных результатов на пределе чувствительности данных методов. Следствием чего было увеличение погрешности и уменьшение воспроизводимости результатов. Это второй недостаток методов, используемых для определения состояния электрохимически активированной воды. Для получения достоверных результатов необходимо проведение параллельных серий. Выборка результатов потенциометрического, кондуктометрического титрований, метода диэлектрометрии с учетом низкой воспроизводимости и большой погрешности должна состоять не менее чем из 5 вариантов. Для проведения одного титрования может потребоваться не менее 20 минут. Следовательно, конечный результат может быть получен примерно через один час. Таким образом, третьим недостатком рассматриваемых методов является низкая экспрессность, что в производственных условиях, требующих оперативного управления технологическими процессами, недопустимо. Методы потенциометрического, кондуктометрического титрования, диэлектрометрии более пригодны для проведения научно-исследовательских работ, связанных с изучением свойств электрохимически активированной воды. Данные о состоянии активированного растворителя, получаемые этими методами, следует рассматривать как косвенные.

Наиболее близким по технической сущности, в частности по природе регистрируемого процесса, и экспрессности к заявляемому способу является диэлектрометрический способ, характеристика которого приведена выше (Плакатина О.С., Борбат В.Ф., Мухин В.А., Андреева А.Л. Тангенс диэлектрических потерь как индикатор электрохимической активации воды. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1992, Т.35, вып.11-12, с.142-143). В методе диэлектрометрии определяются диэлекрические потери, возникающие в исследуемом объекте при наложении определенной частоты.

Задачей изобретения является разработка способа определения состояния электрохимически активированной воды, позволяющего оперативно получать прямые, достоверные, хорошо воспроизводимые данные о ее состоянии.

Указанный технический результат достигается тем, что способ определения состояния электрохимически автивированной воды заключается в том, что устанавливают тестовые значения, соответствующие неактивированному и электрохимически активированному состоянию воды в виде величин Δf₁ и Δf₂ изменения собственной частоты колебания пьезокварцевого датчика АТ-среза при нанесении на него пробы неактивированной и активированной воды, определяют величину изменения собственной частоты колебания датчика при нанесении на него пробы исследуемой воды и определяют ее состояние по изменению структурно-чувствительных свойств в разное время после активации при сравнении полученной величины Δf изменения собственной частоты колебаний вышеуказанного датчика после нанесения на него исследуемого образца с тестовыми значениями Δf₁ и Δf₂.

Сущность изобретения поясняется следующим описанием. При нанесении с помощью микрошприца пробы исследуемой воды объемом 1 мкл на поверхность пьезокварцевого датчика АТ-среза изменяется его собственная частота колебаний. Известно, что относительное изменение собственной частоты колебаний пьезокварцевой пластины АТ-среза определяется свойствами нагрузки, наносимой на ее поверхность, и описывается уравнением (Орлов Г.Ю., Малов В.В. // Автоматизация управления технологическими процессами. - М.: Атомиздат, 1979, вып. 3, с.55-76):

где ρ_к, τ_к - плотность и толщина кварцевой пластины;

ρ, - плотность и вязкость нагрузки.

Из уравнения следует, что изменение собственной частоты колебаний пьезокварцевой пластины обусловлено вязкостью и плотностью исследуемого образца, являющихся структурно чувствительными свойствами.

Авторами установлено, что по изменению собственной частоты колебаний пьезокварцевой пластины под нагрузкой 1 мкл неактивированной и электрохимически активированной воды можно достоверно зафиксировать различие их состояний.

Методика определения изменения частоты колебаний пьезокварцевого датчика под нагрузкой заключается в следующем. От генератора на пьезокварцевую пластину АТ-среза подается частота, резонансная собственной частоте колебаний пьезокварцевого датчика, сигнал от которого передается на электронносчетный частотомер. Время измерения частотомером частоты составляет 1 секунду. Первоначально измеряется собственная частота колебаний датчика f₀ без нагрузки, затем - частота колебаний датчика f под нагрузкой исследуемого образца сразу после нанесения на поверхность. За 20 минут, необходимых для проведения лишь одного титрования, можно получить выборку значений частоты колебаний датчика под нагрузкой, состоящую из 30 вариантов, что позволяет обеспечить высокую экспрессность способа.

Авторами выбраны масс-чувствительные пьезокварцевые датчики АТ-среза, так как они характеризуются очень высокой чувствительностью (до 5*10^-10 г/см² Гц), поэтому минимально возможное изменение структурно чувствительных свойств электрохимически активированной воды может быть ими зафиксировано. Масс-чувствительность пьезокварцевых датчиков АТ-среза позволяет их рассматривать в качестве микровесов, что предполагает установление максимально возможной нагрузки. Превышение этой нагрузки приводит к срыву микровесов. Для выбранного авторами пьезокварцевого датчика АТ-среза максимально возможная нагрузка соответствовала 1 мкл. Изменение собственной частоты колебаний выбранного авторами пьезокварцевого датчика под нагрузкой 1 мкл необработанной воды составило Δf₁=f₀-f₁=(0,64±0,02)кГц, под нагрузкой 1 мкл электрохимически активированной воды - Δf₂=f₀-f₂=(0,55±0,02)кГц. Величины Δf₁ и Δf₂ изменения собственной частоты колебания пьезокварцевого датчика АТ-среза под нагрузкой пробы неактивированной и электрохимически активированной воды являлись тестовыми, позволяя определить состояние воды в разное время после ее электрохимической активации сравнением полученной величины Δf с тестовыми величинами Δf₁ и Δf₂.

Для оценки правильности и воспроизводимости экспериментальных результатов проводились параллельные измерения. С целью демонстрации преимуществ заявляемого способа перед методами потенциометрического, кондуктометрического титрования, диэлектрометрии в таблице 1 приводится их сравнение по воспроизводимости и правильности определения состояния электрохимически активированной воды, причем приводятся средние значения коэффициентов вариации и относительных погрешностей (n=6; Р=0,95).

Таблица 1Название способаЭлектролитКонцентрация, экв/лКоэффициент вариации, %Относительная погрешность, %Заявляемый способ--1,83,0КондуктометрическоеKCl 8,04,0титрованиеHCl10^-4135,0 AlCl₃ 6,06,0ПотенциометрическоеKCl 1815титрованиеHCl10^-41917 AlCl₃ 1310Метод диэлектрометрииNa₂SO₄10^-3109,0

Из таблицы следует, что в заявляемом способе:

1) нет загрязнения исследуемой воды электролитами;

2) коэффициент вариации в среднем меньше в 6,4 раза, относительная погрешность - в 3,1 раза, чем других известных методов.

Следовательно, предлагаемый прямой способ определения состояния электрохимически активированной воды, кроме экспрессности, имеет еще более высокие воспроизводимость, точность и позволяет оценивать структурные изменения непосредственно растворителя (воды), без загрязнения его посторонними электролитами.

Пример 1. Электрохимическая активация дистиллированной воды проводилась при плотности тока 0,08 мА/см² в течение 30 минут в диафрагменном электролизере с титановыми электродами. Электрохимическая активация проводилась при условиях, исключающих протекание электрохимических превращений воды. Показателем отсутствия этих процессов являлось статистически недостоверное отличие рН исходной и активированной при указанных условиях дистиллированной воды. Неактивированная дистиллированная вода имела рН=5,55±0,1 (n=12, Р=0,95). Католит имел рН=(5,75±0,1), анолит - 5,35±0,1 (n=3, Р=0,95).

Сразу после прекращения активации и в течение всего времени релаксации осуществлялась индикация состояния католита и анолита по изменению собственной частоты колебаний пьезокварцевого датчика. Для этого с помощью частотомера измерялась собственная частота колебаний датчика без нагрузки и под нагрузкой 1 мкл исследуемой водной системы сразу после ее нанесения на поверхность. Определение состояния электрохимически активированной воды проводилось через каждый час в течение 6 часов сразу после активации. Через 24 часа после активации интервал измерения собственной частоты колебаний датчика под нагрузкой пробы исследуемой воды составлял 12 часов. В таблице 2 приведены экспериментальные результаты изменения собственной частоты колебаний пьезокварцевого датчика под нагрузкой неактивированной и активированной воды при плотности тока 0,08 мА/см² в течение 30 минут в разное время после активации (n=22, Р=0,95). Через 36 часов после активации Δf₂ составляло 0,55 кГц.

Таблица 2.РастворительΔf₂ датчика под нагрузкой активированной воды в разное время после ее активации, кГцΔf₁ (Н₂О), кГц0 час1 час2 час3 час4 час5 час6 час24 час48 часкатолит0,550,550,550,550,550,550,550,550,64 
0,64анолит0,550,550,550,550,550,550,550,550,64

Пример 2. Электрохимическая активация дистиллированной воды проводилась при плотности тока 0,02 мА/см² в течение 30 минут в диафрагменном электролизере с титановыми электродами. Сразу после прекращения активации и в течение всего времени релаксации осуществлялась индикация состояния католита и анолита по изменению собственной частоты колебаний пьезокварцевого датчика. Для этого с помощью частотомера измерялась собственная частота колебаний датчика без нагрузки и под нагрузкой 1 мкл исследуемой водной системы сразу после ее нанесения на поверхность. В таблице 3 приведены экспериментальные результаты изменения собственной частоты колебаний пьезокварцевого датчика под нагрузкой неактивированной и активированной воды при плотности тока 0,02 мА/см² в течение 30 минут в разное время после активации (n=22, Р=0,95).

Таблица 3.РастворительΔf₂ датчика под нагрузкой активированной воды в разное время после ее активации, кГцΔf₁ (Н₂О), кГц0 час1 час2 час3 час4 час5 час6 часкатолит0,550,550,550,550,550,550,64 
0,64анолит0,550,550,550,550,550,550,64

Таким образом, авторами установлена возможность прямого определения активированного или неактивированного состояния воды по величине изменения собственной частоты колебаний пьезокварцевого датчика АТ-среза при нанесении на него пробы исследуемой водной системы.

Изобретение относится к исследованию и анализу воды и может быть использовано для определения состояния электрохимически активированной воды в разное время после активации. Способ определения состояния электрохимически автивированной воды заключается в том, что устанавливают тестовые значения, соответствующие неактивированному и электрохимически активированному состоянию воды в виде величин Δf₁ и Δf₂ изменения собственной частоты колебаний пьезокварцевого датчика АТ-среза при нанесении на него пробы неактивированной и активированной воды, определяют величину изменения собственной частоты колебаний указанного датчика при нанесении на него пробы исследуемой воды и определяют ее состояние по изменению структурно-чувствительных свойств в разное время после активации при сравнении полученной величины Δf изменения собственной частоты колебаний вышеуказанного датчика после нанесения на него исследуемого образца с тестовыми значениями Δf₁ и Δf₂. Достигается высокая воспроизводимость, достоверность и экспрессность определения. 3 табл.

Способ определения состояния электрохимически активированной воды, заключающийся в установлении тестовых значений, соответствующих неактивированному и электрохимически активированному состоянию воды в виде величин Δf₁ и Δf₂ изменения собственной частоты колебаний пьезокварцевого датчика АТ-среза при нанесении на него пробы неактивированной и активированной воды, определении величины изменения собственной частоты колебаний указанного датчика при нанесении на него пробы исследуемой воды и определении ее состояния по изменению структурно-чувствительных свойств в разное время после активации при сравнении полученной величины Δf изменения собственной частоты колебаний вышеуказанного датчика после нанесения на него исследуемого образца с тестовыми значениями Δf₁ и Δf₂.