Способ определения эффективного потенциала ионизации и эффективного сродства к электрону многокомпонентных ароматических конденсированных сред Российский патент 2017 года по МПК G01N21/00 

Изобретение относится к способам определения эффективного потенциала ионизации и эффективного сродства к электрону многокомпонентных ароматических конденсированных сред (органические полупроводники на основе ароматических углеводородов и смесей, нефтяные смолы, смолы пиролиза, каменноугольные смолы, высококипящие нефтяные фракции, легкие и тяжелые газойли коксования, каталитического крекинга деасфальтизаты, экстракты селективной очистки масляных фракций, асфальтосмолистые вещества, битуминозные материалы, кубовые остатки процессов нефтехимпереработки).

Потенциалы ионизации (ПИ) и сродства к электрону (СЭ) молекул являются важной физической характеристикой, отражающей электронное строение вещества. ПИ и СЭ имеют особое значение для количественной оценки энергетического состояния молекул при различных фотохимических, химико-технологических, радиохимических, биофизических процессах. А также в молекулярной и атомной физике, физике твердого тела и электронике для многокомпонентных ароматических сред определяют усредненные по всему составу эффективный потенциал ионизации (ЭПИ) и сродство к электрону (ЭСЭ). Определение ЭПИ и ЭСЭ для многокомпонентных ароматических конденсированных сред основано на универсальной закономерности энергий граничных молекулярных орбиталей с интегральной силой осциллятора в спектре многокомпонентных сред [Патент SU 1636734 с приоритетом от 02.07.88, кл. 5G01N 21/25 Способ определения потенциалов ионизации молекул ароматических соединений / Доломатов М.Ю., Мукаева Г.Р.; Доломатов М.Ю., Шуляковская Д.О., Паймурзина Н.Х., Шуткова С.А. Оценка электронной структуры углеводородных электропроводящих материалов методом ЭФС // Журнал «Электротехнические и информационные комплексы и системы», 2013. №2. - С. 121-129]. Закономерность имеет следующий вид:

где Ε - энергия граничной орбитали, ПИ или СЭ, эВ;

α₁, α₂ - эмпирические коэффициенты соответственно эВ, эВ⋅нм^-1;

θ_lg - логарифмическое ИСО, характеризующее масштаб квантовой системы, нм.

В дальнейшем эта зависимость была подтверждена для ПИ полициклических ароматических углеводородов, сераорганических соединений, азокрасителей органических красителей.

Недостатки данного способа заключаются в следующем:

1. Необходимость использования УФ диапазона спектра.

2. Сложность аппаратуры, связанная с необходимостью исследования спектров в УФ области: использование спектроскопической аппаратуры, включающей источники ультрафиолетового и видимого света, дифракционные решетки, усилителя анализатора электрических сигналов, блоки оптико-механической системы ЭВМ и средства обработки сигналов.

3. Длительность процесса снятия спектра в УФ и видимой области спектра.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ определения физико-химических свойств многокомпонентных углеводородных систем в видимой области спектра по цветовым характеристикам (ЦХ) [Патент RU 2560709, Способ определения физико-химических свойств многокомпонентных углеводородных систем / Доломатов М.Ю., Шуляковская Д.О., Доломатова М.М.; Шуляковская Д.О., Доломатов М.Ю., Доломатова М.М, Еремина С.Α. Метод фотоизображений в информационной системе контроля физико-химических свойств многокомпонентных углеводородных систем // Журнал «Электротехнические и информационные комплексы и системы», 2014. №1. - С. 106-113].

В данном способе физико-химические свойства таких многокомпонентных углеводородных систем, как высококипящие нефтяные фракции (мазуты, гудроны, крекинг-остатки, нефтяные смолы и асфальтены), определяются по фотоизображениям оптически прозрачных растворов данных систем. Суть способа заключается в следующем. Производится приготовление раствора образца. Раствор заливается в прозрачную кювету и производится регистрация фотоизображения раствора с люминесцентной лампой или дневным солнечным светом в качестве источника излучения. Затем в графическом редакторе по фотоизображению для исследуемого раствора определяются координаты цвета R, G, В в колориметрической системе sRGB. Далее определяется координата цвета X_photo или Y_photo раствора образца в колориметрической системе XYZ путем стандартного перехода из колориметрической системы sRGB в XYZ. Затем определяется координата цвета X^D или Y^D (для стандартного источника D65 CIE) путем корректировки, позволяющей учитывать различие освещения при фотосъемке от стандартного источника D65 CIE. Следующий этап заключается в оценке значения интегрального показателя поглощения исследуемого образца по определенной ранее координате цвета X^D или Y^D и концентрации раствора, расчет которой производится при приготовлении раствора. Затем физико-химические свойства исследуемой многокомпонентной углеводородной системы определяются по интегральному показателю поглощения по линейной зависимости.

Недостатки данного способа заключаются в следующем:

1. Данный метод не позволяет определить ПИ и СЭ.

2. Необходимость перехода из системы sRGB в XYZ.

3. Необходимы корректировки на источники.

4. Необходимость определения такой спектральной характеристики, как интегральный показатель поглощения.

Целью изобретения является расширение возможности применения метода к сложным молекулярным материалам, метастабильным материалам, которые поглощают излучение в видимом диапазоне спектра. Поставленная цель достигается за счет скорости определения ЭПИ и ЭСЭ, которая превышает время изменения физической структуры материала и его химического состава. Способ предусматривает упрощение технологии, а следовательно, и упрощение используемой аппаратуры, а ЭПИ и ЭСЭ определяются в видимой области спектра по цветовым характеристикам (ЦХ).

Суть способа заключается в том, что определение ЭПИ и ЭСЭ многокомпонентных конденсированных сред производится по их координате синего цвета, линейно коррелирующего с ЭПИ и ЭСЭ. Координата синего цвета B_sRGB многокомпонентных сред определяется в колориметрической системе sRGB в растровом графическом редакторе по фотоизображению многокомпонентных ароматических конденсированных сред, которое регистрируется с люминесцентной лампой в качестве источника излучения, путем помещения конденсированных сред в кювету, рассчитывают ЭПИ и ЭСЭ многокомпонентных ароматических конденсированных сред по линейной зависимости:

ЭПИ=6,225+0,006*B_sRGB

ЭСЭ=2,034-0,007*B_sRGB.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Небольшую навеску исследуемой многокомпонентной ароматической конденсированной среды растворяют в оптически прозрачном растворителе. Полученный раствор должен быть оптически прозрачным. Раствор наливают в прозрачную кювету и получают фотоизображение с люминесцентной лампой в качестве источника излучения. Фотографирование может производиться цифровым фотоаппаратом с разрешением 10 мегапикселей (размер матрицы 3872×2592 пиксела) и более.

Получают значение координаты синего цвета B_sRGB исследуемого раствора в колориметрической системе sRGB путем обработки фотоизображения в графическом редакторе.

Пример 1. Определяют ЭПИ и ЭСЭ для асфальтена из крекинг-остатка.

Полученное изображение раствора обрабатывают в графическом редакторе и получают координату синего цвета в колориметрической системе sRGB: B_sRGB=127.

ЭПИ=6,225+0,006*B_sRGB=6,225+0,006*127=6,99 эВ

ЭСЭ=2,034-0,007*B_sRGB=2,034-0,007*127=1,14 эВ.

Пример 2. Определяют ЭПИ и ЭСЭ для фракций асфальтосмолистых веществ, выделенных из дорожного битума по ЦХ в колориметрической системе RGB для люминесцентного источника излучения.

Вещество растворяют в толуоле. Полученное фотоизображение раствора обрабатывают в графическом редакторе и получают координату синего цвета в колориметрической системе sRGB: B_sRGB=140.

ЭПИ=6,225+0,006*B_sRGB=6,225+0,006*140=7,06 эВ

ЭСЭ=2,034-0,007*B_sRGB=2,034-0,007*140=1,05 эВ.

Пример 3. Определяют ЭПИ и ЭСЭ для фракций деасфальтизации гудрона пропаном по ЦХ в колориметрической системе RGB для люминесцентного источника излучения.

Вещество растворяют в толуоле. Полученное фотоизображение раствора обрабатывают в графическом редакторе и получают координату синего цвета в колориметрической системе sRGB: B_sRGB=148.

ЭПИ=6,225+0,006*B_sRGB=6,225+0,006*153=7,14 эВ

ЭСЭ=2,034-0,007*B_sRGB=2,034-0,007*153=0,96 эВ.

Пример 4. Определяют ЭПИ и ЭСЭ для фракций полициклических углеводородов, выделенных из пеков каменноугольной смолы по ЦХ в колориметрической системе RGB для люминесцентного источника излучения.

Вещество растворяют в толуоле. Полученное изображение раствора обрабатывают в графическом редакторе и получают координату синего цвета в колориметрической системе sRGB: B_sRGB=149.

ЭПИ=6,225+0,006*B_sRGB=6,225+0,006*149=7,12 эВ

ЭСЭ=2,034-0,007*B_sRGB=2,034-0,007*149=0,99 эВ.

Пример 5. Определяют ЭПИ и ЭСЭ для мальтеновой фракции, выделенной из среднетемпературного нефтяного пека по ЦХ в колориметрической системе RGB для люминесцентного источника излучения.

Вещество растворяют в толуоле. Полученное изображение раствора обрабатывают в графическом редакторе и получают координату синего цвета в колориметрической системе sRGB: B_sRGB=152.

ЭПИ=6,225+0,006*B_sRGB=6,225+0,006*152=7,14 эВ

ЭСЭ=2,034-0,007*B_sRGB=2,034-0,007*152=0,97 эВ.

Значения ЭПИ и ЭСЭ многокомпонентных ароматических конденсированных сред (примеры 1-4), определенные по спектрам поглощения и предлагаемым способом приведены в таблице 1.

Вывод: как следует из таблиц 1 и 2, относительная погрешность определения ЭПИ многокомпонентных ароматических веществ по предлагаемому способу по сравнению со способом определения по спектру поглощения составляет 0,7%, а относительная погрешность ЭСЭ - 7,8%.

Следовательно, предлагаемый способ не уступает способу определения ЭПИ и ЭСЭ по спектрам поглощения.

Преимущества заявляемого способа заключаются в следующем:

1. Возможность определения таких свойств, как ЭПИ и ЭСЭ, для веществ и многокомпонентных материалов.

2. Исключается необходимость регистрировать спектр.

3. Используется один источник света.

4. Нет необходимости перехода из одной колориметрической системы в другую.

5. Сокращается время определения ЭПИ и ЭСЭ.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в процессах определения эффективного потенциала ионизации и эффективного сродства к электрону многокомпонентных ароматических конденсированных сред (органические полупроводники на основе ароматических углеводородов и смесей, нефтяные смолы, смолы пиролиза, каменноугольные смолы, высококипящие нефтяные фракции, легкие и тяжелые газойли коксования, каталитического крекинга деасфальтизаты, экстракты селективной очистки масляных фракций, асфальтосмолистые вещества, битуминозные материалы, кубовые остатки процессов нефтехимпереработки). Технический результат – расширение функциональных возможностей. Для этого эффективные потенциал ионизации и сродство к электрону определяются по координате синего цвета BsRGB, определяемой в колориметрической системе координат sRGB по фотоизображению растворов многокомпонентных конденсированных сред, которое регистрируется с люминесцентным источником излучения. При этом достигается повышение скорости определения эффективного потенциала ионизации (ЭПИ) и эффективного сродства к электрону (ЭСЭ), которая превышает время изменения физической структуры материала и его химического состава. 2 табл.

1. Способ определения эффективных потенциала ионизации и сродства к электрону многокомпонентных ароматических конденсированных сред производится по их координате синего цвета B_sRGB, отличающийся тем, что эффективные потенциал ионизации и сродство к электрону определяются по координате синего цвета B_sRGB, определяемой в колориметрической системе sRGB по фотоизображению растворов многокомпонентных конденсированных сред, которое регистрируется с люминесцентным источником излучения, а потенциал ионизации и сродство к электрону определяют по формулам:

ЭПИ=6,225+0,006*B_sRGB,

ЭСЭ=2,034-0,007*B_sRGB,

где ЭПИ - эффективный потенциал ионизации;

ЭСЭ - эффективное сродство к электрону;

B_sRGB - координата синего цвета в колориметрической системе sRGB, определяемая по фотоизображению многокомпонентных ароматических конденсированных сред.