Способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость в водных растворах амфифилов

Авторы патента:

G01N25/48 - при растворении, сорбции или химических реакциях, кроме сгорания или каталитического окисления

G01N25/02 - исследование фазовых изменений; исследование процесса спекания

Владельцы патента RU 2550989:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU)

Изобретение относится к пограничной области между физикой, химией и биологией и 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. Предлагается способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость в водных растворах амфифилов измерением теплового эффекта разбавления раствора амфифила растворами ПЭО в зависимости от концентрации амфифила. Технический результат - повышение достоверности идентификации и разделения двух осциллирующих состояний системы. 3 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.

Известен способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость (L-L-переход) в водных растворах (патент РФ 2433386). Способ позволяет измерять среднюю концентрацию фазового перехода или критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ), степень кооперативности, область концентрации, где происходит переход, глубину перехода. Кроме того, известно (Huang et al. // PNAS. 2009. V.106. P.15214), что вода на масштабах примерно 1 нм образует при комнатной температуре мерцающие флуктуации (кластеры) низкой плотности со строгой тетраэдрической координацией (LDL) и флуктуации высокой плотности с разорванными H-связями (HDL), которые находятся в равновесии.

Появление амфифилов в воде сдвигает равновесие в сторону образования кластеров LDL. По достижении ККМ в воде достигается средняя концентрация L-L-перехода. Кластеры воды осциллируют между кластерами LDL и HDL в концентрационной области перехода. Осцилляция ансамблей кластеров воды сопровождаются осцилляцией ансамблей двух видов мицелл (Миргород Ю.А. // Журн. структ. химии. 2008. Т49. С.920). Автоколебания ансамблей кластеров воды и мицелл происходят быстро 10³-10^-8 с. Приборы пока не могут зафиксировать (разделить) во времени существование мерцающих кластеров и мицелл. Методы малоуглового и рентгеновского рассеяния обнаруживают только сферические или эллиптические мицеллы амфифилов (Cabane В. et. al. // J. Physique. 1985. V.46. P.2161).

Известный способ (патент РФ 2433386) не позволяет идентифицировать два осциллирующих состояния системы.

Технической задачей изобретения является создание способа идентификации (визуализации) и разделения двух осциллирующих состояний системы (энергетических распределений ансамбля кластеров).

Технический результат согласно изобретению достигается разбавлением раствора амфифила в области критической концентрации мицеллообразования раствором полиэтиленоксида (ПЭО) и измерением теплового эффекта разбавления в зависимости от концентрации амфифила. Готовят раствор амфифила с концентрацией, превышающей его ККМ. В другой мерной посуде готовят раствор ПЭО, примерно в 100 раз более разбавленный по сравнению с раствором амфифила в весовом процентном отношении. Для экспериментов берут ПЭО с молярной массой от 2000 до 100000 г·моль^-1. Желательно брать ПЭО с узким молекулярно-массовым распределением. На изотермическом калориметре проводят термометрическое титрование. По результатам измерения тепловых эффектов в зависимости от концентрации амфифила строится кривая термометрического титрования (см. чертеж). На кривой появляются два противоположных по тепловым эффектам «горба». Они указывают на существование двух процессов, происходящих в концентрационной области мицеллообразования амфифилов. Со стороны малых концентраций вначале происходит эндотермический процесс, а затем экзотермический. Разные процессы отражают взаимодействие ПЭО с двумя типами мицелл, образование которых преобладает в разных областях концентраций амфифила. С ПЭО молярной массой, меньшей 2000 г·моль^-1, два процесса не визуализируются. С молярной массой, большей 100000 г·моль^-1, они проявляются плохо. Растворы при титровании должны быть прозрачны. Они не должны образовывать осадок или становиться мутными.

Горбы отражают распределение ансамбля кластеров по энергиям (энтальпиям) разбавления в данной области концентраций амфифила в состояниях A и B. При каждой из многочисленных концентраций в области L-L-перехода есть свое распределение состояний А и В. Термометрическая кривая отражает интегральные распределения по концентрациям. Температура, давление, электролит, электромагнитное и звуковое поле влияют на это распределение. От 25 до 5°C горбы увеличиваются и сближаются, а при 65°C исчезают.

Изобретение иллюстрируется примером. Готовят 10% (вес.) раствор додецилсульфата натрия (ДЦС) и 0,1% (вес.) раствор ПЭО молярной массы 3350 г·моль^-1. ККМ ДЦС 8·10^-3 М. На изотермическом микрокалориметре проводят термометрическое титрование раствора ПЭО раствором ДЦС при 15°C. Затем строят график зависимости теплового эффекта от концентрации ДЦС (см. чертеж). На чертеже по точкам сопряжения прямых с кривыми определяют начало c₁=4·10^-3 М и конец C₂=28·10^-3 М L-L-перехода. По двум s-образным кривым - средние концентрации c_A=6·10^-3 М, c_B=22·10^-3 М и энтальпии образования ансамбля кластеров в положении А ΔH_A=10 кДж·моль^-1, В ΔH_B=-4 кДж·моль^-1. Концентрации определяются так, чтобы площади треугольников под функцией и над функцией ΔH(x) были одинаковыми.

Таким образом, с помощью добавки ПЭО в раствор амфифила и измерением во время добавки теплового эффекта разбавления можно наглядно наблюдать модели мерцающих кластеров растворов амфифилов в области мицеллообразования от c₁ до c₂ и определять их энергетические параметры. Данное явление позволяет моделировать релаксационные процессы в растворах амфифилов при исследовании, например, проникновения лекарств через кожу под влиянием ультразвука или увеличения нефтедобычи под влиянием электромагнитного поля.

1. Способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость в водных растворах амфифилов измерением теплового эффекта разбавления раствора амфифила растворами ПЭО в зависимости от концентрации амфифила.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что берут полиэтиленоксид с молярной массой 2000-100000 г·моль^-1.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров фазового перехода определяют область концентраций, где происходит фазовый переход, средние концентрации двух распределений ансамблей кластеров, энтальпии распределений образования двух ансамблей кластеров.

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля качественного состояния фильтрующе-поглощающих изделий от паров токсичных химикатов и может быть использовано для оценки степени отработки шихты по загрязняющим веществам, поглощающими как на основе физической адсорбции, так и хемосорбции.

Способ определения кинетики микробиологических и физико- химических процессов в проточном микрокалориметре // 2178167

Изобретение относится к измерительной технике. .

Микрокалориметр тиана-кальвэ // 2105968

Устройство для анализа угольных продуктов // 2098802

Способ градуирования аналитического прибора // 2010222

Изобретение относится к метрологии, в частности к методам градуирования аналитических приборов. .

Способ термохимического контроля концентрации веществ в многокомпонентных растворах // 1836633

Устройство для подготовки проб металла // 1718083

Датчик концентратомера // 1578614

Изобретение относится к физической химии, в частности к датчикам концентратомеров, и может быть использовано в химических отраслях промышленности. .

Реагент для термохимического определения концентрации неорганических кислот и щелочей // 1569712

Изобретение относится к области физико-химического анализа, а именно к реагентам для термохимического определения концентрации неорганических кислот и щелочей. .

Способ термохимического анализа жидких сред и устройство для его осуществления // 1518753

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к способам и устройствам термохимического анализа жидких продуктов. .

Способ определения температуры стеклования полимерных композиционных материалов на основе тетразола // 2540933

Изобретение относится к области инновационных технологий и может быть использовано для повышения эффективности определения функциональных параметров полимерных композиционных материалов, определяющих эффективность перспективных технических систем.

Способ оценки охлаждающей способности жидкостей // 2504758

Изобретение относится к измерительной технике. Способ основан на экспериментальном определении температуры лавинообразного распада охлаждающей жидкости на горячей поверхности, в статических условиях, без потока жидкости.

Способ исследования теплофизических свойств жидкостей и устройство для его осуществления // 2504757

Изобретение относится к области тепловых исследований свойств жидкостей и может быть использовано для исследования динамических процессов термостимулированной структурной перестройки жидкостей.

Устройство для определения фазового состояния газожидкостного потока // 2501001

Использование: для определения фазового состояния газожидкостного потока в контрольной точке вертикального сечения трубопровода. Сущность: заключается в содержании устройством для определения фазового состояния газожидкостного потока измерительного устройства и терморезистивного датчика фазового состояния, включающего расположенную вдоль оси движения потока и жестко закрепленную одной короткой стороной печатную плату с установленным на ней чувствительным элементом, выполненным в виде подложки, на которой размещен пленочный резистор (терморезистор) в «точечном» исполнении.

Способ определения температуры полного полиморфного превращения жаропрочных двухфазных титановых сплавов (альфа+бета)-мартенситного класса // 2498280

Изобретение относится к области исследования процессов полиморфных превращений в металлах и твердофазных металлических сплавах и может быть использовано, например, в отделах технического контроля металлургических заводов, выпускающих титан и сплавы на его основе.

Способ определения температуры кристаллизации парафинов в нефти // 2495408

Изобретение относится к области определения физических параметров пластовых флюидов и может быть использовано в промышленных и научно-исследовательских лабораториях для определения температуры кристаллизации парафинов в нефти.

Способ неразрушающего определения температурных характеристик структурных переходов в полимерных материалах // 2493558

Изобретение относится к области физико-химического анализа и может быть использовано при тепловых испытаниях. Исследуемое тело приводят в тепловой контакт с эталонным телом по плоскости, в которой находится локальный круглый нагреватель.

Способ определения летучести и теплоты испарения смеси жидких веществ // 2488811

Изобретение относится к области исследования или анализа небиологических материалов путем определения их химических или физических свойств, конкретно, исследования фазовых изменений путем удаления какого-либо компонента, например, испарением, и взвешивания остатка.

Способ построения солидуса // 2472140

Изобретение относится к физико-химическому анализу вещества, а именно к способу построения солидуса. .

Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов // 2453832

Изобретение относится к испытаниям смазочных материалов термоокислительной стабильности и может быть использовано в лабораториях при исследовании влияния металлов на окислительные процессы, происходящие в смазочных материалах, для определения каталитической активности.

Способ определения температур фазовых превращений в металлических материалах // 2561315

Изобретение относится к термическому и дилатометрическому анализу и может быть использовано для определения критических точек фазовых превращений в металлических материалах при непрерывном нагреве. Согласно способу испытывают образец с использованием одинарного закалочного дилатометра и безинерционной термопары, приваренной к образцу. Нагревают исследуемый образец с постоянной скоростью с помощью индуктора. Автоматически фиксируют время от начала измерения, температуру исследуемого образца, абсолютное удлинение образца и относительную мощность индуктора. Для фазовых превращений 1 рода по результатам испытаний образца строят на одном координатном поле зависимости W=f(Tобр.), где W - относительная мощность индуктора, %, Tобр. - температура исследуемого образца, °C. По построенным зависимостям находят первую производную относительной мощности индуктора в каждой точке. Затем строят на одном координатном поле зависимости абсолютного удлинения от температуры исследуемого образца Δl=f(Tобр.) и первой производной относительной мощности индуктора от температуры исследуемого образца dW/dTобр.=f(Tобр.). Определяют начало и окончание фазовых превращений 1 рода в виде критических точек (Tн) и (Tк) по моменту отрыва функции dW/dTобр.=f(Tобр.) от пулевого уровня на фоне изменения функции Δl=f(Tобр.). Определяют температуру фазового превращения 2 рода в виде критической точки (Tкр) по положению максимума первой производной относительной мощности индуктора. Технический результат - повышение точности определения начала и конца фазовых превращений 1 и 2 рода в исследуемом металлическом материале. 5 ил.