Способ определения количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги

 

Изобретение относится к области исследования материалов методом ЯМР. Образцы влажного вещества с различной влажностью поочередно помещаются в однородное магнитное поле с последующим наложением импульсов циркулярно поляризованного переменного поля резонансной частоты и вызывающего явление протонного магнитного резонанса, и фиксацией времени спин-решеточной релаксации протонов воды с последующим построением графической зависимости времени спин-решеточной релаксации от влажности образцов и установлением по изломам или ступеням на этой зависимости количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги. Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение длительности измерения. 2 ил.

Изобретение относится к методам анализа видов связи влаги с материалом и может быть использовано для исследования процесса сушки в пищевой и другой отраслях промышленности.

Известен способ термографического анализа видов связи влаги с материалом, предложенный М.Ф. Казанским (Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность. - 1973. С.43), включающий получение термограмм, записанных при помощи электронного потенциометра в процессе медленной изотермической сушки тонкого образца материала.

Однако известный способ является длительным и имеет невысокую точность.

Технической задачей изобретения является повышение точности и сокращение длительности измерения.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги путем помещения образцов влажного материала в газообразную среду с заданной относительной влажностью и выдерживания их в этой среде до наступления состояния равновесия с последующим построением графической зависимости, характеризующей связь влаги с материалом, и определением по ней количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги новым является то, что образцы влажного вещества с различной влажностью поочередно помещаются в однородное магнитное поле с последующим наложением кратковременных импульсов циркулярно поляризованного переменного поля резонансной частоты, перпендикулярно направленного по отношению к постоянному магнитному полю и вызывающего явление протонного магнитного резонанса, и фиксацией времени спин-решеточной релаксации протонов воды с последующим построением графической зависимости времени спин-решеточной релаксации от влажности образцов и установлением по изломам или ступеням на этой зависимости количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги.

Технический результат заключается в повышении точности и сокращении длительности измерения.

На фиг. 1 приведены графические иллюстрации примера - изменение времени релаксации Т_1эф в зависимости от ее содержания в казеине, выработанного в различное время года; на фиг.2 - результаты обработки экспериментальных данных в полулогарифмических координатах lg Т_1эф= f(W) представленной на фиг.1 зависимости.

Способ осуществляется следующим образом.

Измельченный продукт (например, казеин-сырец) помещается в вакуум-сушильный шкаф и высушивается при заданной температуре, являющейся справочной величиной (например, 375К согласно эталону ИДФ 78A - казеин и казеинат - Определение содержания воды /Международный стандарт ИДФ 89:1979/).

По мере высушивания отбирают несколько проб казеина для определения влажности и испытания на установке ядерного магнитного резонанса (ЯМР). На установке ЯМР определяют нулевую задержку τ = τ₀, при которой начальная амплитуда сигнала стимулированной прецессии (А₀) равна нулю. Поскольку в образце содержатся одновременно несколько водных фракций с различной энергией связи, то рассчитывают эффективное время (Т_1эф) спин-решеточной релаксации многофракционной системы как время, связанное с задержкой τ₀ соотношением T_1эф = τ₀/ln2, (1) Ввиду того, что приемно-измерительный тракт не может зафиксировать амплитуду сигнала, меньшую уровня собственных шумов L, то возникает некоторая погрешность в определении Т_1эф. Для уменьшения погрешности фиксируют две задержки при которых и через них определяют Т_1эф (например, на фиг.1 зависимость Т_1эф, от влажности казеина W (на общую массу) на участке 65,7... 3,6 % имеет вид плавной кривой без видимых сингулярных точек. С уменьшением влажности величина Т_1эф убывает. Это объясняется тем, что в начале процесса высушивания удаляется вода наиболее подвижных фракций (свободная, слабосвязанная), и оставшаяся доля связанной влаги возрастает, что и вызывает уменьшение Т_1эф.

По данным (Митчел Дж., Смит Д. Акваметрия / Пер. с англ. под ред. Шермана Ф. Б. : Химия, 1980. - 600 с) для свободной воды время Т_1эф=3,6±0,2 с. (Например, для дистиллированной воды Т_1эф=3,5 с. Для казеина-сырца с начальной влажностью 62,2...65,7 % величина T_1эф=0,221-0,240 с, что более чем на порядок ниже времени релаксации свободной воды. Это свидетельствует о том, что силы связи влаги с казеином как физико-химические, так и физико-механические значительны. Несовпадение кривых, построенных для казеина, выработанного в различное время года, обусловлено влиянием сезонности на химический состав и свойства молочного белка).

При обработке экспериментальных данных в полулогарифмических координатах lg Т_1эф=f(W) график (фиг.2) рассматриваемой зависимости превращается в ломаную линию с одной сингулярной точкой, соответствующей определенной влажности (например, 25...20%).

Такое изменение T_1эф при сушке (например, казеина) объясняется удалением в начале процесса влаги с минимальной энергией связи (влага макрокапилляров) и увеличением доли прочно связанной влаги. Например, на фиг.1 при достижении влажности 20. . .25% различия в величине энергии связи с казеином у молекул оставшихся водных фракций уменьшаются, что приводит к снижению темпа изменения T_1эф. Поэтому влажность казеина 20...25% (0,25...0,33 кг/кг) соответствует наиболее прочно связанной влаге - физико-химически связанной. А при влажности 3,6...1,8 % происходит скачкообразное уменьшение Т_1эф до 0,008 с и на всем этом участке значение Т_1эф остается постоянным. Таким образом, влажность казеина 3,6% соответствует мономолекулярно-адсорбционной влаге, энергия связи которой значительно выше последующих слоев).

Преимущества способа заключаются в том, что применение метода ядерного магнитного резонанса для изучения форм связи влаги в продукте при наличии определенной информации об изотермах сорбции-десорбции обеспечивает быстроту (эксперимент длится 1...2 мин) и высокую точность измерения без разрушающего воздействия на образец, а также позволяет определить концентрацию веществ от 10^-6...10^-7 до 1...2 моль/л без каких-либо датчиков в продукте.

Формула изобретения

Способ определения количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги путем помещения образцов влажного вещества в газообразную среду с заданной относительной влажностью и выдерживания образцов в этой среде до наступления состояния равновесия с последующим построением графической зависимости, характеризующей связь влаги с материалом, и определением по ней количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги, отличающийся тем, что образцы влажного вещества с различной влажностью поочередно помещаются в однородное магнитное поле с последующим наложением кратковременных импульсов циркулярно поляризованного переменного поля резонансной частоты, перпендикулярно направленного по отношению к постоянному и вызывающего явление протонного магнитного резонанса и фиксацией времени спин-решеточной релаксации протонов воды с последующим построением графической зависимости времени спин-решеточной релаксации от влажности образцов и установлением по изломам или ступеням на этой зависимости количества мономолекулярно-адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2