Способ измерения параметров фазового перехода жидкость - жидкость в водных растворах


 


Владельцы патента RU 2433386:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU)

Изобретение относится к пограничной области между физикой, химией и биологией. Способ идентификации и измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость в водных растворах и влияние на него внешних воздействий путем растворения в воде s-алкилизотиуроний галогенидов и измерением водородного показателя раствора в зависимости от концентрации. Причем АТГ берут с длиной цепи от С2 до С14 с галогенами хлор, бром, йод. При этом в качестве параметров фазового перехода определяют область концентрации, где происходит переход; среднюю концентрацию; степень кооперативности и «глубину» перехода. Кроме того, в качестве внешних воздействий используют: добавки веществ - неорганические электролиты, органические электролиты, неэлектролиты; изменение температуры и давления; магнитные и электромагнитные поля; механические колебания. Техническим результатом изобретения является создание способа идентификации LL-перехода, измерения с помощью него параметров LL-перехода и влияния на параметры внешних условий, добавок других веществ, различных полей. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к пограничной области между физикой, химией и биологией. Может быть использовано в научных и промышленных лабораториях для определения параметров фазового перехода в воде и влияния на них условий (давление, температура), добавок веществ и полей. По этим данным судят о применении ПАВ в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, в том числе и для применения в нефтедобыче.

Известен фазовый переход жидкость-жидкость (LL-переход) в жидком фосфоре между флюидами высокой и низкой плотности (Y.Katayama et. al. Nature, 403 (2000) 170). Интенсивно исследуются LL-переходы в ограниченной воде, в нанопорах, между твердыми стенками, в переохлажденной воде (Stanley H.E. et. al. J.Phys. Condens. Mater.21 (2009) 504105) вследствие большого значения в технике, биологии и геохимии. Из-за того, что фазовые переходы в воде происходят в наноразмерных объемах, их приходится исследовать компьютерным экспериментом с помощью методов молекулярной динамики или Монте-Карло. Данные методы, вследствие малого количества молекул от тысячи до десятков тысяч, не отражают реального состояния в макросистеме. Для макросистем нужны другие методы идентификации и измерения параметров LL-перехода.

Заявляемое изобретение является пионерским и не имеет прототипа. С помощью изобретения можно измерять параметры LL-перехода (степень кооперативности, среднюю концентрацию, область концентрации) в растворах дифильных молекул. Углеводороды и дифильные молекулы в разбавленных водных растворах до LL-перехода формируют вокруг углеводородных хвостов молекул особую структуру воды размером один, два слоя молекул. Такой процесс называется гидрофобной гидратацией. С увеличением концентрации дифильных молекул сформированная наноструктура воды на границе полной гидрофобной гидратации lgc1 (чертеж) перестраивается в большой концентрационной области. Такая перестройка структуры воды формирует нанообъекты - ассоциаты и мицеллы. Этот процесс называют гидрофобным взаимодействием. Таким образом, ассоциаты, мицеллы дифильных молекул формируются LL-переходом. Из-за малых размеров нанообразований в воде LL-переход трудно идентифицировать физико-химическими методами. Современные микроскопы нельзя применить, так как нанообразования существуют только в жидкой воде и «микроайсберги» воды отличаются от обычной воды в объеме только замедлением подвижности молекул воды, упрочнением Н-связи, что трудно определить. Строение нанообразований воды до сих пор не выяснено.

Технической задачей изобретения является создание способа идентификации LL-перехода, измерения с помощью него параметров LL-перехода и влияния на параметры внешних условий, добавок других веществ, различных полей.

Технический результат согласно изобретению достигается растворением в воде s-алкилизотиуроний галогенидов (АТГ), измерением водородного показателя раствора в зависимости от концентрации АТГ и определением по этой зависимости параметров фазового перехода и влияния на него различных факторов. Использовать можно АТГ с хлором, бромом, иодом. Применение АТГ ограничивается их плохим растворением в воде, примерно, больше длины углеводородной цепи АТГ С14. Низшие АТГ с длиной цепи, меньшей или равной С2, подвергаются в небольшой степени необратимому гидролизу до меркаптанов. В щелочной среде все АТГ подвергаются необратимому гидролизу с образованием меркаптанов, что ощущается по неприятному запаху. Поэтому в щелочной среде их использовать нельзя.

Проблема решается благодаря строению молекул АТГ. В кристаллическом состоянии гидрофильная изотиурониевая группа связана с галогеном водородной связью. Результатом этого является отсутствие теплового эффекта при растворении. Положительный заряд на изотиурониевой группе, возникающий после растворения, распределяется между атомами углерода, серы и двумя атомами азота.

[R-S-C(NH2)2]+X-,

где Х - галоген. Другая особенность АТГ заключается в том, что при гидролизе возрастание концентрации ионов водорода происходит не с разбавлением, а с увеличением концентрации АТГ (чертеж).

[R-S-C(NH2)2]++H2O↔[R-S-C(NH2)2]OH+H+.

Раствор остается прозрачным несмотря на плохую растворимость гидроксида s-алкилизотиурония. Такая аномалия обусловлена влиянием гидрофобной гидратации на структуру (прочность Н-связей, подвижность молекул и т.д.) воды, которая изменяется в зоне LL-перехода.

Способ осуществляют следующим образом. Готовят концентрированный раствор АТГ. Для этого в кристаллический АТГ добавляют воду до определенной нужной концентрации. Затем разбавлением концентрированного раствора дистиллированной водой получают другие растворы и измеряют рН в кислом диапазоне. Нельзя готовить разбавленный раствор, добавляя концентрированный раствор АТГ в чистую воду или небольшое количество АТГ в чистую воду. В результате такого приготовления выпадает белый нерастворимый гидроксид (реакция). Аномалии при гидролизе исчезают и АТГ ведут себя так, как, например, NH4Cl, то есть гидролиз усиливается при разбавлении.

Особое поведение АТГ при приготовлении раствора указывает на то, что если «заходить» справа (чертеж для s-децилизотиуроний бромида) и дойти до с1, то изотиурониевая группа будет блокирована особой структурой воды и изменения рН до c1 при малых с не наблюдается. На c1 начинается LL-переход. По чертежу можно определить среднюю часть LL-перехода с2. Для этого в средней части изгиба s-образной кривой необходимо выбрать концентрацию так, чтобы треугольники под s-образной кривой и над ней были одинаковыми. Другой параметр - степень кооперативности LL-перехода определяется по тангенсу наклона кривой в средней части перехода dlga(H+)/dlgc, где - lga(H+) - отрицательный логарифм активности АТГ или рН, a lgc - логарифм молярной концентрации АТГ. Третий параметр LL-перехода - величина концентрации, где происходит LL-переход от lgc1 до lgc3 Концентрация средней части перехода c2 совпадает с концентрацией образования сферических мицелл, а с3 - с концентрацией образования цилиндрических мицелл.

Добавки, например, неорганических электролитов смещают среднюю точку фазового перехода в сторону меньших концентраций. Увеличение длины цепи АТГ тоже уменьшает концентрацию с2 и увеличивает степень кооперативности перехода. Воздействие ультразвука, магнитного и электромагнитного полей могут изменить перечисленные параметры LL-перехода. Изобретение иллюстрируется примерами.

Пример 1. Навеску s-децилизотиуроний бромида величиной, чтобы был 0,1 М раствор, растворяют в бидистиллированной воде с рН=6,4. Измеряют рН полученного раствора прибором рН-340 с точностью ±0,05. Затем разбавлением получают меньшие концентрации. Через 5-10 мин после разбавления устанавливается равновесие в реакции гидролиза. рН раствора принимает постоянное значение. Каждый раз после разбавления измеряют рН, строят зависимость pH=f(lgc). На чертеже определяют три особые точки: lgc1 - начало LL-перехода, lgc2 - среднюю концентрацию, lgc3 - конец LL-перехода. По наклону линии в середине LL-перехода определяют dlga(H+)/dlgc - степень кооперативности LL-перехода. Величина ab, равная рН, указывает на «глубину» LL-перехода.

Пример 2. Подобно первому примеру получают s-образную зависимость pH=f(lgc) s-нонилизотиуроний хлорида. c2=0,05 М, dlga(H+)/dlgc=2.

Пример 3. Подобно первому примеру получают зависимость pH=f(lgc) s-децилизотиуроний хлорида с добавкой 0,5 M NaCl. C2=0,01 M, ab=6,3.

Таким образом, по свойствам воды -lga(H+)=pH идентифицируют и определяют параметры растянутого по концентрации фазового перехода жидкость-жидкость в воде и по изменению этих параметров судят о влиянии внешних воздействий на фазовый переход.

1. Способ идентификации и измерения параметров фазового перехода жидкость - жидкость в водных растворах и влияния на него внешних воздействий путем растворения в воде s-алкилизотиуроний галогенидов (АТГ) и измерения водородного показателя раствора в зависимости от концентрации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что АТГ берут с длиной цепи от C2 до C14 с галогенами хлор, бром, йод.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор готовят, приливая воду к кристаллическим АТГ.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров фазового перехода определяют область концентрации, где происходит переход; среднюю концентрацию; степень кооперативности и «глубину» перехода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве внешних воздействий используют: добавки веществ - неорганические электролиты, органические электролиты, неэлектролиты; изменение температуры и давления; магнитные и электромагнитные поля; механические колебания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптическим диагностическим приборам, предназначенным для измерения распределения концентрации и размеров наночастиц в жидкостях. .

Изобретение относится к способу обеспечения хранения и транспортировки природного газа и может использоваться в газовой промышленности. .

Изобретение относится к измерению расхода и калорийности угольной пыли, подаваемой в горелки пылеугольных парогенераторов тепловых электростанций. .

Изобретение относится к оптическому устройству для визуального обнаружения коллоидных частиц в пробах жидкости, которые без указанного устройства не видны глазом.

Изобретение относится к системам для улучшения потока текучей среды, проходящего через индикаторные полоски для анализа жидкости, растекающейся в боковом направлении.

Изобретение относится к области нано- и биомедицинских технологий. .

Изобретение относится к автоматическим средствам контроля жидких и газообразных сред на содержание механических примесей. .

Изобретение относится к аналитическим методам измерения примесей в газе, основанным на превращении молекул примеси в аэрозольные частицы, и может быть использовано в высокочувствительных газоанализаторах, необходимых для решения экологических задач, а также в задачах контроля проницаемости материалов и герметичности изделий.

Изобретение относится к области приборостроения, более конкретно к устройствам для определения количества механических примесей в промышленных жидкостях (воде, жидких топливах, маслах, охлаждающих жидкостях и т.д.), а также для определения размеров частиц механических примесей.

Изобретение относится к производству фильтров для улавливания твердых частиц с содержанием ферромагнитных примесей и может быть использовано для количественной оценки в закрытых трубопроводах ферромагнитных частиц в жидкости и газе

Изобретение относится к способу оценки концентрации смолоподобных веществ в водной суспензии титрованием и может быть использовано в области экспериментальной и промышленной биотехнологии

Изобретение относится к технической диагностике агрегатов машин, имеющих замкнутую систему смазки, и предназначено для анализа содержания продуктов загрязнения в работающем масле и экспресс-диагностики технического состояния машин

Изобретение относится к способу и устройству датчика для определения величины целевых частиц на контактной поверхности, прилегающей к пробоотборной камере, в которой могут обеспечиваться целевые частицы

Изобретение относится к способам контроля степени загрязнения моющих растворов минеральными примесями, смытыми с шерсти, при ее промывке в моечных агрегатах. Способ включает измерение плотности моющего раствора в г/см3 с одновременным измерением температуры испытуемого раствора в ванне моечного агрегата с последующим определением с помощью трехкоординатной номограммы по плотности в г/см3 и температуре в °C сухого остатка моющего раствора в г/дм3. Способ позволяет увеличить производительность при регистрации и контроле сухого остатка моющих растворов, а также сократить межконтрольные интервалы и тем самым повысить интенсивность и эффективность управления технологическим процессом промывки шерсти. Сухой остаток моющего раствора определяют с помощью разработанной трехкоординатной номограммы, скомпонованной из семейства параллельных линейных зависимостей плотности моющих растворов от их температуры в ваннах моечного агрегата для фиксированных значений сухого остатка моющих растворов и графика зависимости сухого остатка моющего раствора от плотности моющего раствора при температуре 40°C. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности промывки шерсти, оперативности технологического контроля процесса машинной промывки шерсти, а также снижение расхода моющих средств. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области изготовления полимерных нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в космической, авиационной, строительной и других отраслях промышленности. Способ включает приготовление наносуспензии путем введения в реактопластичное связующее углеродных нанотрубок при ультразвуковом воздействии с интенсивностью в кавитационной зоне в пределах от 15 до 25 кВт/м2. Причем диспергирование углеродных нанотрубок в связующем осуществляют с одновременной фоторегистрацией изменений интенсивности окраски наносуспензии. При достижении наносуспензией значений интенсивности окрашивания, соответствующих значениям нормированной степени диспергирования в диапазоне от 0,9 до 0,99, ультразвуковое воздействие прекращают. Способ позволяет оптимизировать степень диспергирования углеродных нанотрубок в связующем и сократить время изготовления нанокомпозитов, обладающих повышенной прочностью за счет равномерного распределения наночастиц в нанокомпозите. 3 ил.

Устройство (10) для анализа текучего вещества (18) объемом V содержит фильтр (12), который имеет поверхность фильтра (14) площадью A. При этом фильтр выполнен с возможностью пропускания текучего вещества через поверхность фильтра, объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean. Также устройство содержит сканер для сканирования поверхности фильтра со скоростью сканирования B, где площадь A, по существу, совпадает с оптимальной площадью A opt, которая определена формулой (I). В другом аспекте устройство (10) содержит набор по меньшей мере из двух фильтров, каждый фильтр в наборе фильтров имеет поверхность фильтра площадью A и выполнен с возможностью пропускания текучего вещества через поверхность фильтра, площадь A имеет различные значения для каждого фильтра; и механизм для выбора одного (12) из фильтров и размещения выбранного фильтра (12) в рабочем положении, и сканер для сканирования поверхности фильтра (14) выбранного фильтра (12). Техническим результатом является минимизация суммы времени фильтрования и времени сканирования. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Использование: для контроля концентрации магнитных суспензий. Сущность изобретения заключается в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, при этом движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины и среднее значение коэффициента затухания, после чего по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии. Технический результат: повышение достоверности контроля концентраций магнитных суспензий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения загрязнений в текучей среде (1). Причем текучая среда (2), загрязненная частицами, подается с помощью первого дозирующего насоса (3) на устройство (4) для измерения загрязненности или плотности частиц в загрязненной текучей среде. Указанные способ и метод характеризуются тем, что текучая среда (2), загрязненная частицами, перед поступлением на устройство (4) для измерения загрязненности смешивается с очищенной текучей средой (5) в заданном соотношении. Затем осуществляют измерение плотности частиц или загрязненности смешанной текучей среды (6), и с помощью вычислительного устройства (7) определяется плотность частиц или загрязненность загрязненной текучей среды (2). Техническим результатом является обеспечение возможности определения степени загрязнения текучей среды. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх