Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ Российский патент 2025 года по МПК G01N13/02 

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике, применяемой в лабораторных и промышленных исследованиях физико-химических свойств жидкостей и, в частности, к устройствам для измерения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностно-активных веществ (ПАВ) в растворах и может быть использовано для контроля и оптимизации свойств присадок для агрохимических препаратов, реагентов увеличения нефтеотдачи, компонентов бытовой химии, средств личной гигиены и медицинских препаратов.

Известны устройства для измерения ККМ растворов ПАВ, которые реализуют способы измерения какого-либо свойства раствора ПАВ, например, поверхностного (межфазного) натяжения на границе жидкость-воздух, электропроводности объёма раствора, показателя преломления, в зависимости от концентрации ПАВ в объеме этого раствора. Величина ККМ определяется в точке излома или перегиба на измеренной зависимости.

Наибольшее распространение получили устройства реализующие способы прямого измерения поверхностного натяжения раствора ПАВ от концентрации,которые основаны на применении зондов в виде кольца или пластинки (J. Drelich, Ch. Fang, C.L. White. Measurement of interfacial tension in fluid-fluid systems. Encyclopedia of Surface and Colloid Science. Marcel Dekker, 2002, pp. 3152-3165; A.I. Rusanov, V.A. Prokhorov. Interfacial Tensiometry; Elsevier: Amsterdam, 1996. Adamson, A.W.; Gast, A.P. Physical Chemistry of Surfaces, 6th Ed.; John Wiley & Sons, Inc.: New York, 1997.). Принцип работы этих устройств заключается в том, что зонды подводятся к поверхности исследуемых растворов и, за счет смачивания материала зондов в момент касания поверхности, возникает сила, стремящаяся втянуть их в глубь раствора. Эта сила связана с поверхностным натяжением раствора и равна весу жидкого мениска смачивания над плоской частью поверхности жидкости. Данная сила измеряется с помощью прецизионных весов, например, цифровые микровесы или торсионные весы, к которым через нить, стержень или пружинку подвешен зонд. Несмотря на широкое применение данных устройств и кажущуюся их простоту они обладают следующими недостатками. Необходимость контакта зондов с жидкостью требует их тщательной очистки от ПАВ после каждого измерения, которая, зачастую, заключается в обжигании (прокаливании) поверхности зонда, что небезопасно и требует временных и ресурсных затрат. Зонды изготавливают из дорогого материала, как правило из платиноиридиевого сплава или платиновой фольги, для обеспечения высокой смачиваемости поверхности. Зонды не устойчивы к физическим воздействиям, что приводит к их разрушению или деформации.

Известно устройство (C.H. Tan, Z.J. Huang, X.G. Huang. Rapid determination of surfactant critical micelle concentration in aqueous solutions using fiber-optic refractive index sensing. Analyt. Biochem. 401, 144-147, 2010) реализующее зондовый способ измерения показателя преломления раствора ПАВ в зависимости от концентрации, который основан на двухканальном методе отражения Френеля. Устройство состоит из источника света, трех одномодовых соединителей, двух фотодетекторов и двух оптических волокон с чувствительными наконечниками. Луч лазера разделяется на два луча с разной интенсивностьюв первом соединителе. Более интенсивный луч через второй соединитель проходит в оптоволокно, погруженное в раствор ПАВ и отражается от границы раздела датчик-раствор. Менее интенсивный луч в третьем соединителе направляется в эталонное волокно, наконечник которого находится в воздухе, и отражается от границы раздела датчик - воздух. Отраженные лучи после прохождения через скрещенные соединители направляются на фотодатчики, соединённые с компьютером для автоматической обработки данных. Показатель преломления исследуемого раствора вычисляется с использованием формулы Френеля, по измеренным интенсивностям пучков, падающих на фотодатчики, и известными показателями преломления воздуха и оптоволокна, и параметрами соединителя.

К недостаткам этого устройства можно отнести применение контактного способа измерения, применение хрупкого зонда в виде оптоволокна и общую сложность конструкции устройства, заключающуюся в применение множества прецизионных узлов, соединителей (маршрутизаторов) и оптоволоконных линий, требующих максимальной степени защиты от внешних воздействий. Кроме этого, для вычисления показателя преломлений как функции концентрации ПАВ требуется выполнение сложных вычислений с применением множества параметров, что может сказываться на точности измерения.

Известно устройство (M. Pérez-Rodríguez, G. Prieto, C. Rega, L.M. Varela, F. Sarmiento, V. Mosquera.A Comparative Study of the Determination of the Critical Micelle Concentration by Conductivity and Dielectric Constant Measurements. Langmuir, 14, 4422-4426, 1998) используемое для измерения зависимости электропроводности и диэлектрических констант растворов от концентрации ПАВ. Устройство состоит из прецизионного LCR-метра с диэлектрическим зондом для измерения индуктивностей, что позволяет избежать поляризации молекул, которая возникает при использовании зонд-конденсатора. Для достижения максимальной точности зонд помещается в цилиндрическую ячейку с боковым отверстием, которая обеспечивает окружение головки зонда раствором.

Несмотря на высокую чувствительность измерительного зонда, данному устройству присущи недостатки характерные для всех зондовых устройств, в частности, необходимость тщательной очистки зонда после каждого измерения, что снижает его рабочий ресурс. Кроме этого, реализуемый устройством способ применим лишь для ионогенных ПАВ.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство (патент №2743736 РФ: МПК G01N 13/02 / Иванова Н.А., Флягин В.М. «Способ измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ в водных растворах») для измерения ККМ водных растворов ПАВ, которое содержит неодимовый магнит, вмонтированный в дно чашки для раствора ПАВ и формирующий локальный прогиб свободной поверхности слоя раствора ПАВ; лазер, расширенный пучок которого направляется на прогиб и, отражаясь от последнего, формирует на удаленном экране интерференционную картину; линейку для измерения диаметра интерференционной картины на экране. Устройство дополнительно снабжено вспомогательным прибором, представляющим собой пластиковый зонд (щуп) прикрепленный к винту микрометра для контроля толщины слоя раствора. Способ, реализуемый данным устройством, основан на построении зависимости диаметра интерференционной картины от концентрации исследуемого ПАВ в объеме раствора и нахождении ККМ раствора ПАВ как точки излома данной зависимости.

К недостаткам данного технического решения относятся следующие:

1. Непосредственный контакт зонда (магнита) с раствором ПАВ, что требует промывания ячейки и вмонтированного в нее магнита после каждого измерения.

2. Влияние толщины слоя раствора на диаметр интерференционной картины требует применение дополнительного устройства для строгого контроля толщины слоя. Применение ручного микрометра и визуальное детектирование момента касания жидкой поверхности щупом вносит существенные погрешности в измерения.

3. Ручное измерение диаметра интерференционного отклика линейкой на экране или, в случае получения изображения интерференционной картины, в любой компьютерной программе, позволяющей измерение линейных размеров, существенно замедляет процесс измерения и ограничивает возможность получения большого массива данных для проверки воспроизводимости и оценки точности измерений.

4. Сложность установления относительно тонкого слоя раствора в области малых концентраций ПАВ из-за плохого смачивания поверхности ячейки. Данный недостаток приводит к тому, что слой жидкости необходимо заведомо формировать одинаково толстым во всем диапазоне концентраций, что приводит к повышенному расходу исследуемого вещества.

Задачей, на которое направлено изобретение, является создание устройства, позволяющего бесконтактное измерение ККМ растворов ПАВ, повышение точности измерений и снижение ресурсных и временных затрат на проведение измерений.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения ККМ растворов ПАВ, содержащем магнит для формирования вогнутой деформации поверхности слоя раствора, заполняющего чашку, и лазера, служащего для формирования интерференционной картины отражённым от деформации излучением, дополнительно включает моторизованный модуль подведения магнита к поверхности слоя на заданную высоту, модуль измерения размера интерференционной картины, модуль управления лазерным лучом и компьютер для управления, считывания показаний и обработки результатов.

Схема устройства изображена на Фиг. 1. Устройство содержит моторизованный модуль подведения магнита 1, модуль управления лазерным лучом 2, модуль измерения размера интерференционной картины 3, компьютер 4, чашку со слоем исследуемого раствора 5.

Предусмотрено, что моторизованный модуль 1 подведения магнита к поверхности слоя состоит из платформы 6, закрепленной на валу шагового двигателя 7, в центре которой имеется круглое отверстие 8, под которым соосно размещен цилиндрический неодимовый магнит 9, закреплённый на миниатюрном кронштейне 10 к платформе 6, имеются закрепленные маломощный лазер 11 и квадрантный фотодатчик 12, служащие для определения расстояния от слоя раствора до магнита 9. Квадрантный фотодатчик 12 регистрирует отраженный от поверхности раствора луч лазера 11. Шаговый двигатель 7, маломощный лазер 12 и фотодатчик 13 управляются с помощью компьютера 4. Применение моторизованного модуля исключает контакт магнита с раствором, и обеспечивает подвод магнита к поверхности на одинаковое расстояние независимо от толщины слоя раствора в чашке.

Предусмотрено, что модуль 2 управления лазерным пучком, включает лазер 13, расширитель 14 лазерного пучка 13 для увеличения площади поперечного сечения плоскопараллельного светового потока, светоделительный куб 15, направляющий под углом 90° расширенный пучок 16 лазерного излучения на деформированный слой в чашке 5 и пропускающий, отраженный лазерный пучок 17 к измерительному модулю 3.

Предусмотрено, что модуль 3 измерения размера интерференционной картины, включает линейную CMOS-матрицу 18 с микроконтроллером, расположенную в плоскости падения луча 17, отраженного от деформированной магнитом 9 поверхности слоя раствора, и соединённую с компьютером 4 для считывания сигнала, его обработки записи данных в программу. Точность измерения составляет половину линейного размера светочувствительного пикселя матрицы. Показания с CMOS-матрицы считываются 100 раз, рассчитывается среднее значение и абсолютная погрешность измерения размера интерференционной картины. Данные записываются в таблицу значений в управляющей программе.

Предусмотрено, что диаметр цилиндрического неодимового магнита 9 и диаметр поперечного сечения расширенного лазерного пучка 16 должны соотноситься не более чем 1/3, чтобы исключить влияние магнита на интерференционную картину.

Устройство работает следующим образом. Чашку заполняют произвольным объемом раствора ПАВ заданной концентрации и размещают под магнитом так, чтобы их центры примерно совпадали. При этом магнит, с помощью перемещения платформы, выставляют над нулевым уровнем недеформированного слоя жидкости на высоте достаточной (не менее 2 мм), чтобы при поиске поверхности не деформировать её магнитным полем. Затем запускают процедуру поиска поверхности жидкости квадрантным фотодатчиком. После нахождения нулевого уровня запускают модуль управления лазерным пучком, и, с помощью приведения моторизованной платформы в движение, неодимовый магнит подводят к поверхности раствора на такую высоту, при которой деформация магнитным полем поверхности слоя раствора таковы, что сформированная отражённым пучком лазера интерференционная картина имеет достаточный диаметр в плоскости CMOS-матрицы. В последующих измерениях от концентрации ПАВ в растворах магнит всегда подводится на заданную высоту. После того, как магнит выставлен на заданной высоте над поверхностью жидкости, запускают процедуру измерения размера интерференционной картины. Показания с блока измерения от CMOS-матрицы считывались 100 раз в секунду, и рассчитывалось среднее значение и абсолютная погрешность измерения размера интерференционной картины. Полученные данные записывают в таблицу измерений в управляющей программе на компьютере.

Для измерения размера интерференционной картины для следующей концентрации ПАВ магнит поднимают для беспрепятственного извлечения из установки чашки Петри с измеренным раствором, заменяют на чашку с раствором другой концентрации и повторяют процедуру. После выполнения измерений для всех растворов в серии, результаты измерений выгружают для обработки в любой редактор для построения графиков. Строят зависимость диаметра интерференционной картины от концентрации и по точке излома находят критическую концентрацию мицеллообразования.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает бесконтактное измерение ККМ ПАВ, тем, что магнит располагается над слоем раствора, обеспечивает повышение точности измерения, тем, что применяется система лазерного луча и квадрантного фотодатчика, детектирующая высоту магнита над поверхностью раствора и шагового двигателя для подвода магнита к поверхности, и линейной CMOS-матрицы для измерения размера интерференционной картины. При этом точность установления высоты магнита над поверхностью раствора определяется точностью поворота вала микрошагового двигателя, которая для большинства современных двигателей и винтов составляет не более 5 мкм, и точностью определения положения лазерного луча квадрантным фотодатчиком которая составляет менее 1 мкм. Точность измерения размера интерференционной картины определяется погрешностью матрицы, составляющей половину линейного размера светочувствительного элемента матрицы, который составляет менее 4 мкм.

Изобретение может быть использовано как инструмент для измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ и контроля их свойств в таких областях как индустриальная химия, агрохимия, нефтехимия, косметика, бытовая химия и автохимия. Изобретение позволит существенно сократить материальные и временные расходы на проведение лабораторных исследований поверхностно-активных веществ и их композиций.

Приборы и устройства для лабораторного исследования и анализа поверхностно-активных веществ и их композиций, применяемых в технологиях повышения эффективности доставки средств защиты растений, увеличения методов нефтеотдачи, а также при производстве моющих средств для бытовых и промышленных нужд.

Снижение затрат на лабораторные исследования и разработки композиций, содержащих поверхностно-активные вещества, для повышения эффективности доставки средств защиты растений, увеличения методов нефтеотдачи, а также повышения эффективности препаратов бытовой и промышленной химии. Расширение диапазона применимости устройств для измерения критической концентрации мицеллообразования на широкий спектр ПАВ.

Потенциальные потребители - производители поверхностно-активных веществ широкого спектра назначения, сервисные компании и предприятия по производству агрохимических препаратов и химических МУН.

Предлагаемое техническое решение относится к контрольно-измерительной технике, применяемой в лабораторных и промышленных исследованиях физико-химических свойств жидкостей и, в частности, к устройствам для измерения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностно-активных веществ (ПАВ) в растворах и может быть использовано для контроля и оптимизации свойств присадок для агрохимических препаратов, реагентов увеличения нефтеотдачи, компонентов бытовой химии, средств личной гигиены и медицинских препаратов.

Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ обладает следующими преимуществами:

Отсутствует непосредственный контакт зонда (магнита) с раствором ПАВ, и не требует промывания ячейки и вмонтированного в нее магнита после каждого измерения.

Отсутствует влияние толщины слоя раствора на диаметр интерференционной картины, не требует применение дополнительного устройства для строгого контроля толщины слоя, ручного микрометра и визуального детектирования момента касания жидкой поверхности щупом, снижая погрешность в измерениях.

Существенно облегчает и ускоряет процесс измерения и получения большого массива данных для проверки воспроизводимости и оценки точности измерений.

Не требует формировать слой жидкости одинаково толстым во всем диапазоне концентраций, что приводит к снижению расхода исследуемого вещества.

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностно-активных веществ (ПАВ) в растворах и может быть использовано для контроля и оптимизации свойств присадок для агрохимических препаратов, реагентов увеличения нефтеотдачи, компонентов бытовой химии, средств личной гигиены и медицинских препаратов. Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ содержит магнит для формирования вогнутой деформации поверхности слоя раствора, заполняющего чашку, и лазер, служащий для формирования интерференционной картины отраженным от деформации излучением. Дополнительно включает моторизованный модуль подведения магнита к поверхности слоя на заданную высоту, модуль измерения размера интерференционной картины, модуль управления лазерным лучом и компьютер для управления, считывания показаний и обработки результатов. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ, содержащее магнит для формирования вогнутой деформации поверхности слоя раствора, заполняющего чашку, и лазер, служащий для формирования интерференционной картины отраженным от деформации излучением, отличающееся тем, что дополнительно включает моторизованный модуль подведения магнита к поверхности слоя на заданную высоту, модуль измерения размера интерференционной картины, модуль управления лазерным лучом и компьютер для управления, считывания показаний и обработки результатов.

2. Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ по п. 1, отличающееся тем, что моторизованный модуль подведения магнита к поверхности слоя на заданную высоту состоит из платформы, закрепленной на валу шагового двигателя, в центре которой имеется отверстие, под которым соосно размещен цилиндрический неодимовый магнит, закрепленный на миниатюрном кронштейне к платформе, имеются закрепленные маломощный лазер и квадратный фотодатчик, служащие для определения расстояния от слоя раствора до магнита.

3. Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ по п. 1, отличающееся тем, что модуль управления лазерным лучом включает лазер, расширитель лазерного пучка для увеличения площади поперечного сечения плоскопараллельного светового потока, светоделительный куб, направляющий расширенный пучок лазерного излучения на деформированный слой в чашке и пропускающий отраженный лазерный пучок к измерительному модулю.

4. Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ по п. 3, отличающееся тем, что диаметр магнита и диаметр поперечного сечения расширенного лазерного пучка соотносятся не более чем 1/3.

5. Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ по п. 3, отличающееся тем, что светоделительный куб направляет расширенный пучок лазерного излучения на деформированный слой в чашке под углом 90°.

6. Устройство для бесконтактного измерения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ по п. 1, отличающееся тем, что модуль измерения размера интерференционной картины включает линейную CMOS-матрицу с микроконтроллером, расположенную в плоскости падения луча, отраженного от деформированной магнитом поверхности слоя раствора, и соединенную с компьютером для считывания сигнала, его обработки, записи данных в программу.