CC BY
38
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки № 3(177) 2013 ^ УДК 535.3:536.423.4
В.А. Арбузов, Н.С. Буфетов, О.З. Алюкаева
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ ОПТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ (НА ПРИМЕРЕ БРОМИДА ЛИТИЯ)
V.A. Arbuzov, N.S. Bufetov, O.Z. Aliukaeva
Kutateladze Institute of Thermal Physics, Siberian Branch, RAS 1 Academician Lavrentyev Ave., Novosibirsk, 630092, Russia.
THE DETERMINATION OF DENSITY AND CONCENTRATION OF AQUEOUS SOLUTIONS OF SALTS BY OPTICAL WAY (LITHIUM BROMIDE AS AN EXAMPLE)
Представлены результаты исследования методики определения плотности и концентрации водных растворов солей на примере раствора бромида лития. При этом используются изменения показателя преломления в зависимости от плотности раствора. Получены значения показателя преломления для раствора LiBr в зависимости от концентрации и температуры для монохроматического излучения с длинами волн 660 и 532 нм.
АБСОРБЦИЯ, ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, КОНЦЕНТРАЦИЯ ВОДНОГО РАСТВОРА, БРОМИД ЛИТИЯ, РЕФРАКТОМЕТРИЯ.
The results of investigation into a technique for determination of density and concentration of aqueous solutions of salts through a lithium bromide solution as an example have been presented, using changes of a refractive index that depend on solution density. Refractive index values for LiBr solution depending on concentration and temperature for monochromatic radiation at wavelengths of 660 and 532 nm were obtained.
ABSORPTION, REFRACTIVE INDEX, AQUEOUS SOLUTION CONCENTRATION, LITHIUM BROMIDE, REFRACTOMETRY.
Эффективность работы абсорбционных аппаратов и ректификационных колонн зависит от компонентов [1], участвующих в массообменных процессах. Бесконтактным методам мониторинга концентрации отдается предпочтение, особенно при необходимости контроля агрессивных сред.
В данной работе на примере водного раствора литиевой соли бромида водорода — ЫВг исследуется возможность определения концентрации этой соли в воде посредством измерения показателя преломления методами оптической гониометрии. Соль ЫВг широко используется в качестве абсорбента водяных паров в абсорбционных тепловых машинах: тепловых насосах и холодильниках.
Методы и результаты исследований
Методика проведения измерений показателя преломления достаточно подробно представлена в работе [2]. Определение показателя преломления необходимо для предварительных оценок характеристик измерительной системы и, в частности, чувствительности. Растворы были приготовлены на основе дистиллированной воды и кристаллического ЫВг марки ХЧ.
Метод измерения основан на зависимости показателя преломления от концентрации £ и температуры Т среды. Исследовалась возможность реализации метода в заданных диапазонах указанных величин. С этой целью были получены значения
4
Физическая оптика
L, пике. -
2500 -
2000 -
1500
1000 -
500
950
10S0
ИБО
1250
1350
2,1
2,0
1,9
1.8
1,7
1450 1550 16S0 кгУм3
Рис. 1. Зависимости расстояния между центрами изображений крестовидной диафрагмы (1, 2) и квадрата показателя преломления раствора (3, 4) от плотности раствора для двух длин волн: X = 660 нм (1, 3) и X = 532 нм (2, 4)
показателя преломления п при различных концентрациях раствора (0 < £ < 60 %) и температурах (20 < Т < 40 °С) для монохроматического излучения с длинами волн X, равными 660 и 532 нм, по методике, описанной в работе [2]. Концентрация определялась по измеренным величинам плотности р и температуры Т раствора на основе табличных данных [3].
На рис. 1 показана полученная зависимость квадрата показателя преломления от плотности раствора в выбранном диапазоне концентраций и температур при заданных длинах волн светового поля. Эта зависимость представляется линейными функциями, с величинами достоверности аппроксимации К2 , для X = 660 и 532 нм соответственно [4] в следующем виде:
"660
= 5,4537 • 10-4 Р + 1,2254, К2 = 0,9998;
п5232 = 5,6433 • 10-4 р + 1,2205, К2 = 0,9989.
При выборе параметров оптической схемы гониометра использовались результаты анализа, полученные в работе [5]. Был изготовлен макет измерительного прибора, схема которого представлена на рис. 2.
Принцип действия устройства аналогичен гониометру, но с некоторыми изменениями, которые позволяют работать с системами, находящимися под вакуумом. Для исследований использовался макет установки, предназначенной для измерений и регистрации изменений концентрации в процессе абсорбции в реальных массооб-менных абсорбционных аппаратах.
Наибольшая чувствительность в выбранной оптической схеме гониометра достигается, во-первых, при большом угле падения луча на грань призмы в пределах, исключающих виньетирование выходного светового поля; во-вторых, при значении угла при вершине стеклянной призмы, приблизительно равном 30°; в-третьих, при показателе преломления материала призмы, превышающем показатель преломления тестируемой жидкости при всех ее возможных концентрациях.
Отличие данной системы от системы гониометра состоит в использовании матрицы веб-камеры 7 в качестве измерителя. С ее помощью на компьютер 8 передается два изображения крестовидной диафрагмы 2: одно прошло через кювету, минуя призму,
4
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки № 3(177) 2013
Рис. 2. Схема измерительной установки:
1 — монохроматический осветитель; 2 — крестовидная диафрагма; 3 — коллиматор; 4 — поворотные зеркала, расположенные под углом 45°; 5 — кювета с призмой и исследуемым водным раствором (ЫБг); 6 — термопара; 7 — веб-камера с матрицей 640 х 480 (3,89 х 2,92 мм); 8 — персональный
компьютер (ПК)
другое прошло через кювету и призму 5. Характеристикой преломления в этом случае будет расстояние Ь (в пикселях матрицы) между двумя изображениями.
На рис. 3 приведены зависимости расстояния между прямым и испытавшим пре-
ломление изображениями от концентрации раствора при различных температурах. С изменением температуры происходит «расслоение» зависимости. Это отчетливо видно на увеличенном фрагменте рис. 3, а (рис. 3, б).
«Расслоение» кривой Ь(£) при изменении
а)
2050
1550
ю
20
30
40
50
4, %
Рис. 3. Зависимости расстояния между изображениями крестовидной диафрагмы от концентрации водного раствора (а, б) при разных температурах Т и двух значениях длины волны X монохроматического излучения; Т, °С: 23,8 ± 0,6 (1, 3), 39,2 ± 1,5 (2, 4); X, нм: 660 (1, 2), 532 (3, 4); б — фрагмент графика, соответствующий области 55,0 — 59,5 %
Физическая оптика -►
температуры создает некоторые экспериментальные неудобства: перед измерениями требуется дополнительная калибровка зависимостей Ь(£) при разных температурах.
Поскольку характеристикой преломления является расстояние Ь, то по аналогии с зависимостью п2(р) на рис. 1 представлена экспериментально полученная кривая Ь(р). Видно, что функция Ь(р), в отличие от Ь(£), не зависит от температуры. Поэтому для практического определения плотности водного раствора соли при измерениях на данной установке можно рекомендовать использование формул линейной зависимости типа
р = аЬ + Ь, (1)
для калибровки после каждой юстировки оптической системы. Конкретно для приводимых здесь данных (для длин волн 600 и 532 нм):
р660 =-0,31606Ь +1947,2; р532 = -0,30613 • Ь + 1923,9.
Следует отметить, что значения величины достоверности аппроксимации очень близки к единице: для X = 660 нм она составляет К2 = 0,99959, а для X = 532 нм — К2 = 0,99963.
При практическом применении метода
требуется по полученным значениям Ь, на основании калибровочных данных типа (1), определять плотность раствора, находящегося в кювете. С помощью зависимости £ = / (Т, р) [3] восстанавливаются значения концентрации.
Применение данной методики в комплекте с используемой аппаратурой для двух длин волн излучения в разных спектральных областях, обеспечивает значение чувствительности метода при определении плотности не хуже 0,3 кг • м-3 • пикс-1 и концентрации — 0,02 (%)'пикс-1.
Итак, в результате проведенных исследований получены значения показателя преломления водного раствора бромида лития в диапазоне его концентраций от 0 до 60 % для двух длин волн монохроматического излучения: X = 660 и 532 нм.
Показано, что зависимость показателя преломления от концентрации и температуры обобщаются с помощью одной переменной — плотности водного раствора р.
Создан действующий макет прибора и разработана методика определения концентрации водного раствора бромида лития оптическим методом. Предлагаемая методика обладает высокой чувствительностью и оперативностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Накоряков, В.Е. Исследование нестационарного совместного тепломассопереноса при неизотермической абсорбции [Текст] / В.Е. Накоряков, Н.С. Буфетов, Р.А. Дехтярь // Труды Института перспективных исследований; Под ред. В.Е. Накорякова и др. — Ново-сиборск, 2003. - С. 3-34-3-41.
2. Арбузов, В.А. Определение концентрации бромистого лития в водном растворе по коэффициенту преломления [Текст] / В.А. Арбузов, Н.С. Буфетов, Т.Ю. Ляшенко // Труды Х Международной конференции «Оптические методы исследования потоков», 23-26 июня 2009 г., Москва. -М.: МЭИ, 2009. - С. 310-313.
3. L över, H. Termodinamischen und physicalishe
Eigenschaften der wässerigen Lithiumbromid Lösung [Text]: Dissertation / H. Löver. — Karlsruhe, 1960. - 97 p.
4. Ландсберг, Г.С. Оптика: Учебное пособие для вузов [Текст] /Г.С. Ландсберг; 6-е изд., стереотип.—М.:Физматлит, 2003.- 848 с.
5. Алюкаева, О.З. Создание методики определения плотности и концентрации водных растворов солей оптическим способом (на примере лития бромида) [Текст] /О.З. Алюкаева // Всероссийский конкурс «Наукоемкие инновационные проекты молодых ученых»: Материалы работ победителей и лауреатов конкурса, 2012 г., Санкт-Петербург. — СПб: Изд-во Политехнич. ун-та, 2012. - С. 80-95.
REFERENCES
1. Nakoriakov V.E., Bufetov N.S., Dekhtiar'
R.A. Issledovanie nestatsionarnogo sovmestnogo te-plomassoperenosa pri neizotermicheskoi absorbtsii.
Trudy Instituta perspektivnykh issledovanii, Novo-siborsk, 2003, pp. 3-34-3-41. (rus)
2. Arbuzov V.A., Bufetov N.S., Liashenko T.Yu.
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки № 3(177) 2013
Opredelenie kontsentratsii bromistogo litiia v vod-nom rastvore po koeffitsientu prelomleniia. Trudy Kh Mezhdunarodnoi konferentsii «Opticheskie me-tody issledovaniia potokov», Moscow, MEI, 2009, pp. 310-313. (rus)
3. Löver H. Termodinamischen und physical-ishe Eigenschaften der wässerigen Lithiumbromid Lösung. Karlsruhe, 1960, 97 p.
4. Landsberg G.S. Optika.: Uchebnoe posobie
dlia vuzov. Moscow, Fizmatlit, 2003, 848 p. (rus)
Aliukaeva O.Z. Sozdanie metodiki opredeleniia plotnosti i kontsentratsii vodnykh rastvorov solei opticheskim sposobom (na primere litiia bromida). Vserossiiskii konkurs «Naukoemkie innovatsion-nye proekty molodykh uchenykh»: Materialy rabot pobeditelei i laureatov konkursa, St.-Petersburg, Polytechnical University Publishing House, 2012, pp. 80-95. (rus)
БУФЕТОВ Николай Сергеевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутеладзе СО РАН.
630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1 [email protected]
АРБУЗОВ Виталий Анисифорович — доктор технических наук, главный научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутеладзе СО РАН.
630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1 [email protected]
АЛЮКАЕВА Ольга Зарифовна — лаборант Института теплофизики им. С.С. Кутеладзе СО РАН.
630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
