СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОСТИ, ПЕРЕМЕЩАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМ ВЕЩЕСТВОМ Российский патент 2009 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к области оценки поверхностных свойств материалов и может быть использовано для разработки энергетических нанотехнологий.

Известно несколько способов определения поверхностной активности веществ, наибольшее распространение среди которых получили два способа определения: по краевому углу смачивания и поверхностному натяжению. Основные характеристики поверхностной активности веществ в последующем используют для расчета адсорбции, работы адсорбции, поверхностной активности и т.д. По этим параметрам судят о способности веществ эмульгировать, суспензировать или образовывать пены, а по способности веществ понижать поверхностное натяжение судят об их поверхностной активности. По величине краевого угла смачивания судят о гидрофильности или гидрофобности поверхности, на которой он определяется, и используют его для определения смачивающей способности жидкостей и растворов различных веществ (см. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник / А.А.Абрамзон, Л.Е.Боброва, Л.П.Зайченко и др., под ред. А.А.Абрамзона и Е.Д.Щукина, - Л., Химия, 1984 г., с.392, ил. с.165) (1).

Наиболее распространенный способ определения поверхностного натяжения по методу отрыва кольца заключается в «…определении силы, необходимой для отрыва жидкости, смочившей кольцо, от поверхности жидкости. При отрыве кольца вытягивается шейка жидкости, и после отделения кольца на нем должны остаться по всему периметру капельки нижней фазы.» (см. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник / А.А.Абрамзон, Л.Е.Боброва, Л.П.Зайченко и др., под ред. А.А.Абрамзона и Е.Д.Щукина, - Л., Химия, 1984 г., с.392, ил. с.167).

Способ определения краевого угла смачивания осуществляют «…непосредственно по профилю капли с помощью микроскопа, снабженного гониометром, или же каплю фотографируют.» (см. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник / А.А.Абрамзон, Л.Е.Боброва, Л.П.Зайченко и др., под ред. А.А.Абрамзона и Е.Д.Щукина, -Л., Химия, 1984 г., с.392, ил. с.174).

Однако и краевой угол смачивания, и поверхностное натяжение в некоторых условиях не дают достаточно полной характеристики растворов по поверхностной активности из за невозможности их определения или малой изменчивости определяемого показателя от различных условий, например концентрации веществ, температуры, применения веществ неактивных или изменяющих поверхностную активность и т.д. А повышение точности определения, например, поверхностного натяжения требует повышенной чистоты исследуемого материала (см. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник / А.А.Абрамзон, Л.Е.Боброва, Л.П.Зайченко и др., под ред. А.А.Абрамзона и Е.Д.Щукина, - Л., Химия, 1984 г., с.392, ил. с.164).

Кроме того, для определения работы адсорбции, смачивания или растекания необходимо знание других параметров, определение которых связано со значительными сложностями или их невозможно определить по причинам отсутствия достоверных методов определения.

Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в жидкость изменяет поверхностное натяжение не более чем на порядок, а краевой угол смачивания от 0 до 180°, следовательно, разделить или идентифицировать ПАВ по этим показателям практически невозможно.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа, позволяющего с помощью отснятых видео- или кинокадров проследить за действием изучаемого раствора, его способностью перемещать жидкость.

Технический результат изобретения заключается в установлении количества жидкости, перемещаемой раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) с известной концентрацией и в определении нескольких характеристик ПАВ, не использовавшихся ранее.

Количество перемещаемой жидкости раствором капли ПАВ выражают массой перемещенной жидкости, приходящейся на единицу массы исследуемого ПАВ.

Технический результат достигается тем, что в способе определения количества жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом, согласно изобретению количество перемещаемой жидкости определяют по объему слоя жидкости известной толщины перемещенной каплей раствора поверхностно-активного вещества на поверхности физического тела, массу жидкости находят по объему и плотности, фиксируя наибольший радиус слоя перемещенной жидкости видеокамерой или кинокамерой. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что одновременно определяют несколько характеристик ПАВ, ранее не использовавшихся с этой целью. Важным моментом является то, что результат определения ощутим визуально. На последовательно отснятых кадрах хорошо видно действие изучаемого раствора - его способность перемещать жидкость.

Отличительной особенностью предлагаемого способа также является то, что количество перемещаемой жидкости определяют по объему слоя жидкости известной толщины, массу жидкости находят по объему и плотности, фиксируя наибольший радиус слоя перемещенной жидкости видео- или кинокамерой. Так как в этом случае будет перемещено наибольшее количество жидкости.

Это позволяет непосредственно (без расчета) определить работу перемещения различных жидкостей и растворов по исследуемой поверхности и выразить ее как работу, произведенную единицей массы исследуемого вещества. Величина эта, возможно, будет постоянна в определенных условиях для конкретного поверхностно активного вещества и может служить индивидуальной характеристикой веществ различного характера. По этой величине можно судить о способности различных веществ и их растворов производить работу, т.е. об их поверхностной активности.

Одновременно можно судить об адсорбционной способности жидкости или растворенных в ней материалов на исследуемой поверхности и оценить гидрофильность или гидрофобность ионов или частей молекул различного характера, как растворов, так и поверхности, на которой изучают перемещение, так и жидкости, в которой растворяется ПАВ. Кроме того, можно определить скорость растекания жидкостей и растворов различных веществ по поверхности в режиме замены жидкой фазы на газообразную.

Таким образом, новая совокупность приемов, изложенных в формуле изобретения способа определения количества жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом, обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в установлении количества жидкости, перемещаемой раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) с известной концентрацией и получении новых характеристик поверхностно-активных веществ: удельное количество перемещаемой жидкости и удельная работа, совершаемая ПАВ при перемещении жидкости.

Сравнение предлагаемого способа с другими известными техническими решениями из уровня техники по патентной документации и научно-технической литературе позволило установить, что авторами не выявлены решения, включающие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым отличительным признакам, изложенным в формуле изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ определения количества жидкости, перемещаемой поверхностно-активными веществами, поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображено начало перемещения жидкости каплей раствора ПАВ;

на фиг.2 изображено завершение перемещения жидкости и образование наибольшего радиуса перемещенного слоя;

на фиг.3 изображено завершение обратного процесса закрытия освободившейся при перемещении площади;

на фиг.4 изображены изменения на поверхности жидкости от воздействия чистого растворителя (воды);

на фиг.5 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 1 описания;

на фиг 6 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 2 описания;

на фиг 7 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 3 описания;

на фиг 8 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 4 описания;

на фиг 9 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 5 описания;

на фиг 10 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 6 описания;

на фиг 11 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 7 описания;

на фиг 12 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 8 описания;

на фиг 13 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 9 описания;

на фиг 14 изображено определение наибольшего радиуса перемещенного слоя для примера 10 описания;

на фиг.15 изображено изменение удельной работы, совершаемой одним литром спирта этилового при перемещении воды в зависимости от его содержания в растворе;

на фиг.16 изображено изменение удельного количества перемещаемой жидкости в зависимости от содержания спирта этилового в растворе;

на фиг.17 изображена зависимость удельного количества перемещаемой жидкости от концентрации сульфонола;

на фиг.18 изображено изменение удельной работы при перемещении воды поверхностно-активным веществом (ПАВ) «Выравниватель» в зависимости от содержания ПАВ и диаметра ограничивающей окружности (толщина слоя жидкости 0,5 мм);

на фиг.19 изображено изменение удельного количества перемещаемой воды поверхностно-активным веществом «Выравниватель» в зависимости от содержания ПАВ и ограничивающей окружности (толщина слоя жидкости 0,5 мм).

Предлагаемый способ определения количества жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом, осуществляют следующим образом.

На стол с регулируемым уровнем горизонтальности поверхности укладывают пластину из материала, свойства поверхности которого необходимо исследовать. Для удержания на исследуемой поверхности некоторого слоя жидкости, например толщиной 0,1-1 мм, на материал наносят окружность из гидрофобного вещества, если жидкость полярная, или гидрофильного вещества, если жидкость или растворы различных веществ, влияние которых необходимо исследовать, неполярные. Затем устанавливают видеокамеру или кинокамеру так, чтобы ограничительная линия и центр ограничивающей фигуры были четко видны в видоискателе и по возможности занимали всю площадь кадра (настройка резкости изображения). После настройки резкости изображения устанавливают линейку с ценой деления 1 мм и фиксируют камерой для последующего масштабирования измерений. Линейку устанавливают перпендикулярно оптической оси объектива фиксирующей процесс камеры точно по диаметру окружности. После чего линейку убирают.

В ограниченную гидрофильным или гидрофобным веществом окружность вносят исследуемую жидкость в количестве, необходимом для создания слоя жидкости выбранной исследователем толщины.

Точно над центром ограничивающей фигуры, например окружности, устанавливают калиброванный по массе капли и диаметру капилляра наконечник пипетки так, чтобы капля из нее опускалась по возможности точно в центр фигуры. Край наконечника пипетки устанавливают на высоте 4-30 мм. Осветитель рассеянного света с нанесенными на его светящуюся поверхность темными линиями в виде сетки или с установленной на ней (светящейся поверхности) сеткой из непрозрачного материала, или сеткой, нанесенной на прозрачный материал, устанавливают так, чтобы отраженное от поверхности исследуемой жидкости изображение сетки в фиксирующей камере было четко видно.

Камеру включают на фиксацию изображения, одновременно для определения объема капли в момент отрыва от капилляра пипетки включают камеру, фиксирующую в увеличенном масштабе каплю, и каплю раствора ПАВ или исследуемой жидкости вносят в центр окружности. Кадры фильма, зафиксировавшие процесс перемещения жидкости, последовательно изучают, определяя расстояние от центра падения капли до основания «волны перемещения», и в соответствии с масштабом переводят в единицы длины. И определяют диаметр капли в момент отрыва от капилляра пипетки.

Если необходимо определить или сопоставить свойства ПАВ, можно воспользоваться «стандартной» поверхностью, в качестве которой может быть использована гидрофобная термостойкая пленка, или писчая бумага, или бумага с модифицированной поверхностью, например желатином.

При работе с бумагой на нее наносят окружность с необходимым внутренним диаметром из гидрофобной краски, например раствор гудрона. Ширина линии ограничивающей фигуры 5-6 мм. Бумагу с нанесенной на нее ограничительной фигурой замачивают в растворителе, например в воде, в течение определенного времени, например 10 минут, и накладывают на стол или уложенную на него плоскопараллельную пластину (толстое стекло). При этом бумагу расправляют и из-под нее удаляют воздух выдавливанием с помощью стеклянной трубки с закругленными концами, например пипетка диаметром 10-15 мм, или другого приспособления, например валик для прикатывания фотографий для глянцевания. На площадь бумаги, ограниченную нанесенными линиями (окружность, квадрат), наносят исследуемую жидкость в количестве, необходимом для создания слоя толщиной, определяемой условиями опыта. В центр устанавливают наконечник пипетки, включают фиксирующие камеры и вносят в центр ограничительной фигуры каплю раствора испытуемого поверхностно-активного вещества.

Способ поясняется следующими изображениями на чертежах. После касания капли раствора ПАВ (см. фиг.1) на поверхности слоя жидкости образуется небольшая «воронка». От нее в разные стороны начинает распространяться «волна перемещения» жидкости, которая достигает через некоторое время максимального перемещения (см. фиг.2). Затем освободившаяся часть поверхности закрывается жидкостью (см. фиг.3). На указанных изображениях (см. фиг.1-3) приведен процесс перемещения жидкости поверхностно активным веществом под названием «Выравниватель», с концентрацией 5 г/дм³. Соответственно для фиг.1, 2, 3, кадры 5, 16, 77 видеофильма. Внутренний диаметр ограничительной окружности 122 мм. Толщина слоя воды 0,5 мм. Для сравнения на фигуре 4 приведено изменение на поверхности воды от падения капли чистой воды.

Примеры, подтверждающие конкретное выполнение способа определения количества жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом.

Пример 1. Бумагу с нанесенной на нее ограничительной линией в виде окружности замачивают в дистиллированной воде и помещают ее на стол, установленный по уровню, удаляя из под бумаги воздух прокатыванием стеклянной трубки с оплавленными концами. Фиксирующее устройство - видеокамеру наводят на резкость по изображению центра фигуры. Затем устанавливают линейку по центру окружности и фиксируют видеокамерой. Внутрь ограничительного кольца вносят воду в количестве, обеспечивающем толщину слоя 0,5 мм. Внутренний диаметр ограничительного кольца 122 мм. Устанавливают пипетку с известным объемом капли над центром ограничительного кольца и вносят каплю раствора ПАВ с высоты 7 мм. Раствор ПАВ - препарат (применяется в кожевенной и меховой промышленности) «Выравниватель» концентрацией 5 г/дм³. После просмотра каждого кадра видеофильма определяют наибольший радиус перемещенного слоя воды (см. фиг.5), который равен 24,427 мм.

Площадь перемещенного слоя 3,14*(24,427)²=18,74613 см². Объем перемещенной воды 18,74613*0,5=0,937306 см³ или 0,937306 г. Капля содержала ПАВ 3,15Е-05 г. Тогда удельное количество перемещенной воды составит 29778,58 кг воды одним килограммом ПАВ, а произведенная одним кг ПАВ работа составит 7133,545 джоулей.

Пример 2. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,5 мм. Внутренний диаметр ограничительного кольца 144 мм. Раствор ПАВ - «Выравниватель» 3 г/дм³. Поверхность - бумага. После просмотра каждого кадра видеофильма определяют наибольший радиус перемещенного слоя воды (см. фиг.6), который равен 26,54 мм.

Площадь вытесненного слоя 3,14*(26,54)²=22,12849 см². Объем вытесненной воды 2212,849*0,5=1,106424 см³ или 1,106424 г. Капля содержала ПАВ 1,99Е-05 г. Тогда удельное количество перемещенной воды составит 55625,21 кг воды одним кг ПАВ, работа - 14477,49 джоулей.

Пример 3. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,5 мм. Внутренний диаметр ограничительного кольца 102 мм. Раствор ПАВ - «Выравниватель» 0,25 г/дм³. Поверхность - бумага. После раскадровки видеофильма определяют наибольший радиус перемещенного слоя воды (см. фиг.7), который равен 14,69 мм. Площадь вытесненного слоя 3,14*(14,69)²=6,779434 см². Объем вытесненной воды 0,338972 см³ или 0,3389717 г. Капля содержала ПАВ 2.91Е-06 г. Тогда удельное количество перемещенной воды составит 116490,5 кг воды одним кг ПАВ. Произведенная работа - 16781,58 джоулей.

Пример 4. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,5 мм. Внутренний диаметр ограничительного кольца 164 мм. Раствор ПАВ - этиловый спирт (96%) 8 см³/дм³. Поверхность - бумага. После раскадровки видеофильма определяют наибольший радиус перемещенного слоя (см. фиг.8), который равен 11,97284 мм. Площадь перемещенного слоя 3,14*(1,197284)²=4,503438 см². Объем перемещенной воды 4,503438*0,5=0,225172 см³ или 0,225172 г. Капля содержала 96%-ного этилового спирта 6,6Е-06 см³. Тогда удельное количество перемещенной воды составит 34138,14 кг воды одним дм³ этилового спирта, а произведенная работа - 4008,277 джоулей.

Пример 5. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,6 мм. Размер ограничительной квадратной рамки 160*160 мм. Раствор ПАВ - «Сульфонол» 100 г/дм³. Поверхность - бумага. После раскадровки видеофильма определяют наибольший диаметр перемещенного слоя воды (см. фиг.9), который равен 56 мм. Площадь перемещенного слоя 3,14*(5,6/2)²=24,63009 см². Объем вытесненной воды 24,63009*0,6=1,477805 см³ или 1,477805 г.

Пример 6. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,6 мм. Размер ограничительной квадратной рамки 160*160 мм. Раствор ПАВ - «Сульфонол» 100 г/дм³. Поверхность - желатин. После раскадровки видеофильма определяют наибольший диаметр перемещенного слоя воды (см. фиг.10), который равен 55,5 мм. Площадь перемещенного слоя 3,14*(5,55/2)²=24,19223 см². Объем перемещенной воды 24,19223*0,6=1,451534 см³ или 1,451534 г.

Пример 7. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,4 мм. Размер ограничительной квадратной рамки 160*160 мм. Раствор ПАВ - «Сульфонол» 100 г/дм³. Поверхность - желатин. После раскадровки видеофильма определяют наибольший диаметр перемещенного слоя (см. фиг.11), который равен 73,5 мм. Площадь перемещенного слоя 3,14*(73,5/2)²=42,42917 см². Объем перемещенной воды 42,42917*0,4=1,697167 см³ или 1,697167 г.

Пример 8. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,1 мм. Размер ограничительной квадратной рамки 140*140 мм. Раствор ПАВ - «Сульфонол» 100 г/дм³. Поверхность - бумага. Высота падения капли 15 мм. После раскадровки видеофильма определяют наибольший диаметр перемещенного слоя (см. фиг.12), который равен 89,5 мм. Площадь перемещенного слоя 3,14*(89,5/2)²=62,91236 см². Объем воды 62,91236*0,01=0,629124 см³ или 0,629124 г.

Пример 9. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 1,0 мм. Размер ограничительной квадратной рамки 140*140 мм. Раствор ПАВ - «Сульфонол» 100 г/дм³. Поверхность - бумага. После раскадровки видеофильма определяют наибольший диаметр перемещенного слоя (см. фиг.13), который равен 55,5 мм. Площадь перемещенного слоя 3,14*(55,5/2)²=24,19223 см². Объем воды 24,19223*0,1=2,419223 см³ или 2,419223 г.

Пример 10. Подготовительные операции выполняют аналогично примеру 1. Толщина слоя воды 0,5 мм. Внутренний диаметр ограничительного кольца 164 мм. Раствор ПАВ - Хозяйственное мыло 5 г/дм³. Поверхность - бумага. Высота падения капли 30 мм. После раскадровки видеофильма определяют наибольший диаметр перемещенного слоя воды (см. фиг.14), который равен 55,9 мм. Площадь перемещенного слоя 3,14*(55,9/2)²=24,5422 см². Объем воды 24,5422*0,05=1,22711 см³ или 1,22711 г.

Из приведенных примеров видно, что ПАВ могут перемещать жидкость при разных условиях опыта, а получаемые характеристики количества перемещенной жидкости и удельное количество перемещенной жидкости могут служить мерой поверхностной активности. Одновременно следует отметить, что энергетическая составляющая нанотехнологии процесса перемещения жидкости может составить до 100000 и более джоулей на 1 кг ПАВ.

Используя предлагаемый способ определения количества жидкости перемещенной поверхностно-активным веществом, авторами определен новый показатель для поверхностно-активных веществ - удельное количество перемещаемой жидкости и удельная работа, совершаемая поверхностно-активным веществом при перемещении жидкости. Кроме того, авторами выявлена новая закономерность - максимум количества перемещаемой жидкости и совершаемой при этом работы в зависимости от концентрации поверхностно-активных веществ (см фиг.15-19).

Как видно из приведенных чертежей удельное количество перемещаемой жидкости и удельная работа, совершаемая ПАВ, во всех случаях имеют максимум. Максимум наступает при разных концентрациях ПАВ в растворе. Величина максимума различна. Так для этилового спирта максимум удельного количества перемещаемой жидкости одним литром спирта составляет 5470,93 кг, а максимальная удельная работа 885,8025 дж/кг.(см фиг 15, 16). Наступление максимумов соответствует содержанию 7 мл 96% спирта в одном литре воды. Максимальное удельное количество воды, перемещаемое одним кг ПАВ «Сульфонол», составляет 1894,87 кг и приходится на концентрацию 1 г/дм³ (фиг 17).

На фиг.18, 19 приведены результаты по изучению перемещения воды препаратом «Выравниватель». Из фиг.18 видно, что максимум удельной работы приходится на концентрацию ПАВ 0,5 г/дм³ и с увеличением радиуса ограничивающей окружности величина его возрастает соответственно для радиусов 4,1; 5,1; 6,1; 7,2; 8,2 см максимум составляет 24310,54; 37675,31; 55213,11; 80001,27; 108148 дж. Это на два порядка меньше теплотворной способности каменного угля, которая составляет 21-34*10⁶ дж. Аналогично изменяется и максимум количества перемещаемой жидкости соответственно максимум составляет 139196,3; 186410; 240506,1; 307961,1; 376510,4 кг перемещенной воды одним кг ПАВ. Значения рассматриваемых показателей имеют для разных ПАВ широкий диапазон изменений. В приведенных примерах величины максимумов удельной работы изменяются от 885,8025 дж/кг для спирта этилового до 108148 дж для препарата «Вырарниватель». А максимум удельного количества перемещаемой жидкости изменяется от 1894,87 для ПАВ «Сульфонол» до 376510,4 кг перемещаемой воды одним кг ПАВ «Выравниватель». Это может служить предпосылкой для классификации поверхностно-активных веществ по этим критериям.

Следовательно, приведенные выше результаты экспериментов позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».

Изобретение относится к области оценки поверхностных свойств материалов и может быть использовано для разработки энергетических нанотехнологий. Техническим результатом изобретения является возможность установления количества жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом. Сущность способа заключается в том, что на поверхность слоя жидкости известной толщины вносят каплю раствора поверхностно-активного вещества и фиксируют наибольший радиус перемещенной жидкости видео- или кинокамерой. По наибольшему радиусу слоя перемещенной жидкости и первоначально известной толщине слоя жидкости определяют объем слоя жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом. По объему и плотности жидкости определяют массу (количество) жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом. 19 ил.

Способ определения количества жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом, характеризующийся тем, что на поверхность слоя жидкости известной толщины вносят каплю раствора поверхностно-активного вещества, фиксируют наибольший радиус перемещенной жидкости видео- или кинокамерой, по наибольшему радиусу слоя перемещенной жидкости и первоначально известной толщине слоя жидкости определяют объем слоя жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом, а по объему и плотности жидкости определяют массу - количество жидкости, перемещаемой поверхностно-активным веществом.