Способ определения коэффициента диффузии в жидких средах Советский патент 1983 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к технике измерений постоянных массопереноса в жидких растворах и может быть использовано для измерения коэффици- ентов диффузии примесей в жидких средах, обладающих значительной вязкостью в переохлажденном состоянии.

Известен способ измерения коэффициента диффузии в жидкости, заключающийся в создании в столбе жидкости границы paздeлaV со скачкообразным изменением концентраций исследуемого вещества и измерении зави:симости электропроводности жидкости от времени в различных сечениях столба по которой судят о распределении концентрации примеси вдоль столба. Коэффициент диффузии расчитывают из полученной зависимости на основании второго закона Фика ClJОднако данный способ позволяет измерять коэффициенты диффузии только в электропроводящих жидкостях.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения коэффициентов диффузии в жидких средах, заключающийся в формировании столба жидкости с границей раздела из двух растворов с различным содержанием

исследуемого вещества, выдерживании его при постоянной температуре в течение заданного промежутка времени и определении концентрации исследуемого вещества в жидкости на различных расстояниях от границы раздела. При этом зависимость концентрации от расстояния определяют, измеряя показатель преломления жид10кости, а коэффициент диффузии определяют из полученной зависимости на основании второго закона Фика 2.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения

15 при малых концентрациях примеси, обусловленная незначительны изменением показателя преломления при небольших изменениях концентрации примеси.

20

Цель изобретения - повьшение чувствительности определения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в формировании столба жидкости с гра25ницей раздела из двух растворов с различным содержанием исследуемого вещества, выдерживании tero при постоянной температуре в течение заданного промежутка времени и опре30делении концентрации исследуемого вещества в жидкости на различных расстояниях от границы раздела, пос ле вьщержки столба жидкости при пос тоянной температуре производят охлаждение жидкости до переохлажденно го состояния, вносят в нее затравку кристаллизации и измеряют скорость перемещения кристаллического фронта на различных расстояниях от- границы раздела, а концентрацию вещества в различных точках столба жидкости определяют по зависимости скорости перемещения кристаллического фронта от расстояния до границы раздела. Скорость перемещения кристаллического фронта при неизменном переохлаждении жидкости однозначно связана с концентрацией растворенной, примеси и существенно зависит от не даже в области малых концентраций. На фиг.1 показана зависимость скорости перемещения (V) кристаллического фронта тимола от концентрации (С) в нем воды; на фиг.2 - зависимость скорости V от расстояния (X) до границы раздела тимол - вода после выдержки жидкости при 60°С (кривая 1) и 90° (кривая 2) . Способ осуществляют следующим образом. В капилляре с жидкостью создают резкую границу с перепадом концент раций исследуемого вещества, запол няя, например, капилляр поочередно жидкостями с различной концентрацие растворенного вещества. Капилляр вы держивают при температуре определе ния коэффициента диффузии в течение заданного промежутка времени t , после чего раствор в капилляре охлаждают и на кончике иглы вносят кристаллическую затравку, например путем касания иглой или изоморфным кристаллическим веществом поверхности переохлажденного раствора. В капилляре после этого начинает распространяться кристаллический фронт раствора со скоростью, изменяющейся в зависимости от расстоян до границы раздела. Это изменение обусловлено тем, что концентрация растворенного вещества вблизи гран раздела максимальна и по мере удал ния от нее постепенно уменьшается падает до нуля. Поэтому скорость фронта определяют последовательно для небольших участков длины капил ляра, взятых на известном расстояНИИ от метки, которая соответствуе границе раздела, где X 0. Для определения скорости криста лического фронта на указанных отре ках можно использовать секундомер и линейку, а при очень малых скоро тях фронта катетометр или бинокуля ную лупу. Далее находят искомую концентра цию раствора на малых участках по мм, расположенных на известных расстояниях X от границы раздела, используя градуировочные кривые зависимости скорости перемещения кристаллического фронта от концентрации, полученные в условиях, аналогичнвлх эксперименту. Коэффициент диффузии D рассчитывают по формуле, которая следует из решения дифференциального уравнения второго закона Фика Х/2У5г „ С(х,Т)-Сг 2 € ал, и; где Сд - начальная концентрация раствора;С(Х,Т) - концентрация раствора на расстоянии X от границы раздела по истечении времени Т ; С г - концентрация растворяемого вещества на границе раздела;-Л - переменная интегрирования. Предложенным способом измеряют коэффициент диффузии воды в тимоле при 60 и 90°С. При построении градуировочной кривой (фиг.1) тимол сначала обезвоживают кипячением при 230°С 15 мин. Затем в нем растворяют известное количество воды и определяют скорость V распространения фронта кристаллической фазы в капилляре диаметром 1,7 мм при переохлаждении до 30°С. Аналогично находят V и при других концентрациях воды. Капилляр с резкой границей тимол - вода выдерживают 1,5 ч при выбранной температуре определения коэффициента диффузии. После переохлаждения раствора и внесении в тимол кристаллической затравки определяют скорость V в зависимости от расстояния X до границы раздела (фиг.2). С помощью градуировочной кривой определяют концентрацию С(Х,С), по которой на основании уравнения (1) и с учетом начальных, и граничных условий (Со 0,С 100%), так как тимол не растворяется в воде) вычисляют коэффициент диффузии воды в тимоле, который равен 0,26 ± 0,03. при 60°С и 0,34+0,03 см /ч при 90с. Предложенный способ имеет более широкую область применения по сравнению с известным который не позволяет зарегистрировать изменение концентрации воды при растворении в тимоле в количествах, указанных на фиг.1. Кроме того, вследствие повышения чувствительности к изменению концентрации способ позволяет сократить время измерения коэффициента диффузии.