Индикаторный элемент Российский патент 2022 года по МПК G01N31/22 G01N33/22 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, предназначенным для экспресс-анализа текучих топлив, в том числе и жидких углеводородных топлив, таких как авиационный бензин и авиационный керосин, на наличие в них эмульсионной растворенной воды и механических примесей, которые невозможно определить визуально.

Из уровня техники известен индикаторный элемент (SU 306416 А1, опубл. 06.11.1971, G01N 31/22). Данное изобретение относится к способам анализа воды и механических примесей в топливе и нефтепродуктах, например керосине. Предложенный индикаторный элемент изготовлен следующим образом. Нетканый волокнистый слой ультратонких волокон перхлорвинила или полипропилена обрабатывают в индикаторных растворах. Верхний слой обрабатывают в 7-8% растворе Fe₂(SO₄)₃ в растворителе, состоящем из 80% воды и 20% этилцеллозольва. Слои выдерживают в растворах, сушат, вырезают в виде прямоугольников и скрепляют по три. Снаружи помещают обработанные реактивами слои, а внутри не обработанный реактивами, который выполняет роль разделительной перегородки, предотвращающей смещение веществ и изменение окраски.

Главным недостатком этого элемента является то, что наличие в растворе только желтой кровяной соли позволяет определить лишь часть механических примесей в воде, находящейся в топливе, а именно ионы трехвалентного железа, при том, что ионы двухвалентного железа данный элемент не может показать из-за отсутствия в нем красной кровяной соли. Данный факт значительно ухудшает качество проводимого анализа. Также недостатком является отсутствие спирта этилового в растворителе, который ускоряет процесс пропитки и помогает распределить индикаторные вещества более равномерно по всей глубине материала с целью повышения качества индикации.

Также известен индикаторный элемент (SU 934227 A1, опубл. 07.06.1982, МПК G01D 21/04). Изобретение относится к технике контроля эксплуатационных свойств топлива и, в частности, к индикаторам наличия воды в углеводородном топливе. Индикатор наличия воды в углеводородном топливе, содержит основу с нанесенным на нее покрытием, включающим окисное сернокислое железо и окрашивающий компонент, основа выполнена из синтетического нетканого волокна, а в качестве окрашивающего элемента использован таннин.

А главным отличием и недостатком является то, что это изобретение способно определить лишь наличие воды, а наличие механических примесей, данное изобретение определить не может, поскольку в нем отсутствует второй слой нетканого волокна, пропитанного специальным индикаторным раствором. Также они отличаются использованием разных окрашивающих компонентов, которые вступают в реакцию с водой, находящейся в испытуемом топливе.

Прототипом предлагаемого изобретения является индикаторный элемент (RU 2267779 C1, опубл. 10.01.2006, МПК G01N 31/22, 33/22), включающий два слоя гидрофобного пористого полимерного материала со структурой ультратонких волокон. Первый слой пропитан в растворе 6-9% железа сернокислого (III), второй - в растворе солей калия железосинеродистого и калия железистосинеродистого при их соотношении в этом слое 1:(25-35), а растворитель содержит (об. %): воду дистиллированную 40-60, спирт этиловый 30-50, этилцеллозольв 5-15, при этом структура ультратонких волокон материала имеет удельную плотность упаковки 0,013-0,066 кг/(м²⋅мм вод. ст.).

Из сопоставления признаков прототипа с существенными признаками заявляемого элемента следует, что оба элемента состоят из гидрофобного пористого полимерного материала со структурой ультратонких волокон, состоящих из двух слоев, первый из которых пропитан сульфатом железа (III) (Железо сернокислое (III)), а второй слой пропитан смесью Гексацианоферрата (III) калия и Гексацианоферрата (II) калия (красной и желтой кровяными солями), а растворитель содержит одинаковые компоненты: вода дистиллированная, спирт этиловый и этилцеллозольв.

Главным недостатком прототипа является большая концентрация индикаторных растворов в обоих слоях готового элемента, что ведет к неудовлетворительной точности проводимых анализов топлива.

В результате проведения многочисленных исследований выявлено следующее.

При увеличении количества железа сернокислого (III) в готовом растворе с его содержанием от 5,5 % и выше снижается точность анализов из-за выделения избыточного количества кристаллогидратов Fe₂(SO₄)₃⋅9Н₂О на поверхности пористого материала, т.е. в местах выделения данного кристаллогидрата слой преждевременно окрашивается в сине-голубой (синий) цвет.

При увеличении количества красной и желтой кровяных солей, а соотношение 1:(25-35) является достаточно концентрированным раствором, что ведет к появлению на желтом фоне полимерной пористой основы красновато кристаллических форм, которые снижают чувствительность данного слоя и приводят к неудовлетворительному качеству индикации.

Также к недостаткам прототипа можно отнести низкую механическую прочность - разрывную нагрузку от 0,5 до 1,2 кгс.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении воспроизводимости результатов анализа, а также точности экспресс-анализа текучих топлив, в том числе и в жидких углеводородных топливах таких как: авиационный бензин и авиационный керосин, на наличие в них эмульсионной, а также растворенной воды и механических примесей, которые невозможно определить визуально, необходимого для контроля качества эксплуатационных свойств топлив.

Технический результат достигается тем, что индикаторный элемент для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах, включает два слоя полимерного пористого гидрофобного материала со структурой ультратонких волокон, первый слой материала пропитан раствором сульфата железа (III), второй слой - раствором смеси Гексацианоферрата (III) калия и Гексацианоферрата (II) калия, при этом оба слоя пропитаны растворами с одним и тем же растворителем содержащим воду дистиллированную, спирт этиловый и этилцеллозольв и высушены, согласно изобретению концентрация сульфата железа (III) в готовом растворе при пропитке первого слоя составляет 0,5-5%, а соотношение Гексацианоферрата (III) калия и Гексацианоферрата (II) калия к растворителю в готовом растворе при пропитке второго слоя составляет 1:(62,5-125), растворитель имеет следующее соотношение компонентов, об.%: вода дистиллированная 45-55, спирт этиловый 37-47, этилцеллозольв 8-18.

Кроме того, структура обоих ультратонких волокон имеет следующие технические характеристики: сопротивление потоку воздуха при скорости 1 см/с, 6-16 Па, поверхностная плотность волокнистого слоя 20-50 г/м², коэффициент проницаемости по масляному туману со средним радиусом частиц 0,15-0,17 мкм при скорости 1 см/с, не более 25% включительно и разрывная нагрузка не менее 0,96 кгс.

Использование указанных признаков в предлагаемом индикаторном элементе для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах в том числе и в жидких углеводородных топливах таких как: авиационный бензин и авиационный керосин позволяет повысить точность проводимых экспресс-анализов, необходимых для контроля качества эксплуатационных свойств топлив. Заявляемые параметры были получены и многократно подтверждены в ходе огромного количества исследований и опытов в сопоставлении известных параметров и соотношений между ними, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, в результате чего было обнаружено, что использование указанных признаков и параметров в предлагаемом индикаторном элементе позволяет достичь положительных результатов в ходе проверки качества испытуемого топлива на наличие в нем эмульсионной воды и механических примесей, которые невозможно определить визуально. В результате именно предложенного соотношения индикаторных веществ в пропитанном материале в реакцию вступает вся вода, содержащаяся в испытуемом топливе: эмульсионная, а также растворенная. Благодаря полученной устойчивости двухвалентного железа, присутствующего в желтой кровяной соли к кислороду воздуха, повышается качество индикации и воспроизводимость результатов анализа.

В качестве сырьевой базы гидрофобных пористых основ, изготовленных из ультратонких полимерных волокон, можно использовать следующие материалы:

• неворсистые фильтрующие материалы по типу НЭЛ-4, НЭЛ-4М;

• фильтрующие полотна по типу ФПП-15-1,5 и ФПП-Д;

• материалы полимерных фильтрующих из хлорированного и/или высоко-хлорированного полиэтилена;

• синтетическое нетканое волокно или фильтровальная бумага, имеющие следующие технические характеристики: сопротивление потоку воздуха при скорости 1см/с, 6-16 Па (мм вод. ст.), поверхностной плотности волокнистого слоя 20-50 г/м², коэффициенту проницаемости по масляному туману со средним радиусом частиц 0,15-0,17 мкм при скорости 1 см/с, не более 25% включительно и разрывной нагрузкой не менее 0,96 кгс.

Для примера, в таблице 1 представлены параметры подобных фильтрующих материалов, относящихся к гидрофобным пористым основам, подходящих для изготовления предлагаемого элемента.

Из данных таблицы видно, что приведенные в качестве примера материалы соответствуют всем заявленным параметрам, необходимых для изготовления данного элемента. Также в качестве исходного сырья подойдут гидрофобные пористые основы, изготовленные из любых известных ультратонких волокон, таких как: синтетическое нетканое волокно или фильтровальная бумага, соответствующие всем заявленным техническим характеристикам. По сравнению с прототипом предлагаемые гидрофобные пористые основы из ультратонких полимерных волокон обладают более высокими качественными показателями. Кроме того, данный индикаторный элемент возможно изготавливать из широкого ассортимента фильтрующих материалов, что позволяет увеличить доступность, при сохранении высокой точности проводимых анализов.

Так на примере исходного сырья: МФВХ-30, при среднем фактическом размере волокон основного слоя, мкм, 5,1 ± 0,5, в котором периметр сечения волокон за счет их гантелевидной формы в 1,5-2 раза выше, по сравнению, с круглыми или цилиндрическими типами волокон. Этот фактор увеличивает поверхностную плотность волокна, что позволяет улучшить фильтрующие свойства материала, и соответственно отпечатки на индикаторном элементе становятся яркими и четкими. Благодаря появлению новых материалов в качестве сырьевой базы гидрофобных пористых основ, удалось увеличить разрывную нагрузку, например материала МФВХ-30, до 1,97 ± 0,4 / 1,036 ± 0,4 кгс (продольная/поперечная), что делает предлагаемое изделие более стойким к внешним воздействиям и удобным в эксплуатации. А также создает легкость и удобство в использовании.

Проведенные исследования и практика показали, что оптимальной концентрацией сульфата железа (III) в пропитке первого слоя составляет 0,5-5%. При его концентрации выше 5,5% - на поверхности пропитанного материала выделяется избыточное количество кристаллогидратов Fe₂(SO₄)₃⋅9H₂O, что ведет к преждевременной качественной реакции на ионы трехвалентного железа, т.е. в местах выделения данного кристаллогидрата слой преждевременно окрашивается в сине-голубой (синий) цвет, хотя сам материал при этом сохраняет белый цвет.

Второй слой пропитан смесью Гексацианоферрата (III) калия и Гексацианоферрата (II) калия, при их необходимом соотношении к растворителю 1:(62,5-125), что в процентном соотношении составляет 0,8-1,6%, любое увеличение концентрата данной смеси выше заявленного снижает качество индикации. Воспроизводимость результатов анализов затрудняется из-за неустойчивости двухвалентного железа, присутствующего в Гексацианоферрата (II) калия к кислороду воздуха. Увеличение количества Гексацианоферрата (II) калия выше заявленного ведет к появлению на желтом фоне пористой основы красновато кристаллических форм, которые снижают чувствительность данного слоя и приводят к неудовлетворительному качеству индикации. Материал при этом приобретает цвет от светло-желтого до желтого.

Растворитель имеет следующее соотношение компонентов, об.%: вода дистиллированная 45-55, спирт этиловый 37-47, этилцеллозольв 8-18. Данное соотношение обосновывается следующими доводами.

Увеличение количества воды дистиллированной, выше заявленного при уменьшении количества спирта этилового ниже заявленного ведет к ухудшению проникающих свойств растворов, т.е. после высыхания пористой основы соли осаждаются в основном на ее поверхности, что резко снижает воспроизводилось результатов анализа. А уменьшение количества воды дистиллированной, ниже заявленного при увеличении количества спирта этилового выше заявленного ведет к ухудшению растворения твердых компонентов и снижению фильтрующих свойств гидрофобной пористой основы.

Увеличение содержания этилцеллозольва выше заявленного снижает растворимость твердых компонентов и ведет к образованию кристаллов красного цвета, что снижает точность анализов. А снижение содержания этилцеллозольва ниже заявленного в связи с нагреванием раствора ведет к повышенному испарению спирта этилового в процессе пропитки гидрофобной пористой основы.

Для придания свойств индикатора описанным выше материалам, их пропитывают в растворах водочувствительных солей. Один слой – в растворе сульфата железа (III) в растворителе из воды дистиллированной, спирта этилового и этилцеллозольв. Материал при этом сохраняет белый цвет. Второй слой пропитывают в растворе смеси гексацианоферрата (III) калия и гексацианоферрата (II) калия в том же растворителе. Материал приобретает цвет от светло-желтого до желтого. Затем оба слоя высушивают, разрезают на прямоугольники, и скрепляют между собой. Для разделения двух слоев используется мелованная бумага плотностью не менее 90 гр./м². Готовые индикаторы упаковывают в полиэтилен высокого давления, плотностью не менее 100 микрон.

Индикаторный элемент для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах в том числе и в жидких углеводородных топливах таких как: авиационный бензин и авиационный керосин, работает следующим образом: при прохождении испытуемого топлива через калибровочные отверстия приспособления типа ПОЗ-Т на первом слое индикаторного элемента оставляет на его поверхности имеющиеся механические примеси, при этом цвет основы остается белым, а на самом элементе в местах прохождения топлива остаются серо-коричневые отпечатки по количеству и интенсивности которых можно определить наличие механических примесей. А в местах прохождения через второй слой, в случае наличия эмульсионной или растворенной воды оставляет на его поверхности отпечатки от бледно-голубого до синего оттенка, это зависит от количества содержащейся в топливе воды при этом цвет основы остается таким же - от светло желтого до желтого. Если топливо чистое, то на индикаторном элементе отпечатки отсутствуют.

Таким образом, предложенный индикаторный элемент для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах, в том числе и в жидких углеводородных топливах таких как: авиационный бензин и авиационный керосин, позволяет повысить точность экспресс-анализов, необходимых для контроля качества эксплуатационных свойств топлив, за счет предложенного соотношения индикаторных веществ в пропитанных материалах, благодаря чему в реакцию вступает вся вода, содержащаяся в испытуемом топливе: эмульсионная, а также растворенная, а также позволяет повысить воспроизводимость результатов анализа за счет полученной устойчивости двухвалентного железа, присутствующего в желтой кровяной соли к кислороду воздуха.

Настоящее изобретение относится к индикаторному элементу для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах. Индикаторный элемент включает два слоя полимерного пористого гидрофобного материала со структурой ультратонких волокон - первый слой материала пропитан раствором сульфата железа (III), второй слой - раствором смеси гексацианоферрата (III) калия и гексацианоферрата (II) калия. Оба слоя пропитаны растворами с одним и тем же растворителем, имеющим следующее соотношение компонентов, об.%: вода дистиллированная 45-55, спирт этиловый 37-47, этилцеллозольв 8-18, и высушены. При этом концентрация сульфата железа (III) в готовом растворе при пропитке первого слоя составляет 0,5-5%, а соотношение гексацианоферрата (III) калия и гексацианоферрата (II) калия к растворителю в готовом растворе при пропитке второго слоя составляет 1:(62,5-125). Технический результат - повышение воспроизводимости результатов анализа, а также точности экспресс-анализа текучих топлив. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Индикаторный элемент для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах, включающий два слоя полимерного пористого гидрофобного материала со структурой ультратонких волокон,

первый слой материала пропитан раствором сульфата железа (III), второй слой - раствором смеси гексацианоферрата (III) калия и гексацианоферрата (II) калия, при этом оба слоя пропитаны растворами с одним и тем же растворителем, содержащим воду дистиллированную, спирт этиловый и этилцеллозольв, и высушены,

отличающийся тем, что

концентрация сульфата железа (III) в готовом растворе при пропитке первого слоя составляет 0,5-5%, а соотношение гексацианоферрата (III) калия и гексацианоферрата (II) калия к растворителю в готовом растворе при пропитке второго слоя составляет 1:(62,5-125),

растворитель имеет следующее соотношение компонентов, об.%: вода дистиллированная 45-55, спирт этиловый 37-47, этилцеллозольв 8-18.

2. Индикаторный элемент для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах по п. 1, отличающийся тем, что структура обоих ультратонких волокон имеет сопротивление потоку воздуха при скорости 1 см/с 6-16 Па.

3. Индикаторный элемент для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах по п. 1, отличающийся тем, что структура обоих ультратонких волокон имеет коэффициент проницаемости по масляному туману со средним радиусом частиц 0,15-0,17 мкм при скорости 1 см/с не более 25% включительно.

4. Индикаторный элемент для определения наличия эмульсионной, растворенной воды и механических примесей в текучих топливах по п. 1, отличающийся тем, что структура обоих ультратонких волокон имеет разрывную нагрузку не менее 0,96 кгс.