Способ определения коэффициента диффузии в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах




Владельцы патента RU 2782682:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалах в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности. Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах заключается в том, что в исследуемом листовом материале создают равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя, затем исследуемый материал помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизолируют верхнюю поверхность материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное увлажнение исследуемого материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, выполняют электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, и на одинаковом заданном расстоянии от нее, фиксируют момент времени достижения заданного значения сигнала гальванического датчика и рассчитывают коэффициент диффузии. При этом измеряют изменение во времени сигнала дополнительного гальванического датчика, прямолинейные электроды которого расположены на другом расстоянии от линии нанесения импульса дозой растворителя, фиксируют моменты времени τ1 и τ2, при которых достигаются одинаковые значения сигналов соответственно первого датчика E1 и второго датчика E2 из диапазона (0,7–0,9)Ee на нисходящих ветвях кривых изменения сигналов во времени этих двух датчиков. Техническим результатом является повышение точности измерения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности. Ортотропные материалы характеризуются существенным различием свойств в перпендикулярных направлениях, например, вдоль и поперек волокон, в машинном и поперечном направлениях бумаги.

Известен способ определения коэффициента массопроводности и потенциалопроводности массопереноса (А.С. 174005, кл. G 01 k N 421, 951, 1965), заключающийся в импульсном увлажнении слоя материала и измерении на заданном расстоянии от этого слоя изменения влагосодержания материала во времени. Коэффициент массопроводности вычисляется по установленной зависимости. Недостатком этого способа являются осуществление разрушающего контроля опытного образца при размещении датчиков во внутренних слоях исследуемого тела, большая трудоемкость метода при подготовке образцов, необходимость индивидуальной градуировки датчиков по каждому материалу.

Наиболее близким является способ определения коэффициента влагопроводности листовых ортотропных капиллярно-пористых материалов (патент РФ на изобретение № 2497099, G 01 N 15/08, 27.10.2013, Бюл. № 30), заключающийся в создании равномерного начального влагосодержания в исследуемом изделии, импульсном увлажнении исследуемого изделия по прямой линии движущимся источником влаги постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, выполнении электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и расположении их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и на одинаковом заданном расстоянии от нее, определении времени достижения максимума ЭДС гальванического преобразователя и расчете по нему искомого коэффициента влагопроводности по установленной зависимости.

Недостатком этого способа являются невысокая точность определения момента достижения максимума ЭДС, где производная сигнала преобразователя по времени близка к нулю, и наблюдается недостаточная чувствительность измеряемого параметра к изменению времени.

Техническая задача предлагаемого технического решения предполагает повышение точности измерения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах, включающем создание в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, помещении исследуемого материала на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизоляции верхней поверхности материала, импульсном увлажнении в заданном направлении исследуемого ортотропного материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности, выполнении электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и размещении их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и на одинаковом расстоянии от нее, фиксировании момента времени достижения заданного значения сигнала гальванического датчика и расчета коэффициента диффузии.

В отличие от прототипа (патент РФ на изобретение № 2497099, G 01 N 15/08, 27.10.2013, Бюл. № 30) измеряют изменение во времени сигнала дополнительного гальванического датчика, прямолинейные электроды которого располагают с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и расположенных на другом расстоянии от нее, фиксируют моменты времени τ1 и τ2, при которых достигаются одинаковые значения сигналов соответственно первого датчика E1 и второго датчика E2 из диапазона (0,7 – 0,9) Ee на нисходящих ветвях кривых изменения сигналов во времени этих двух датчиков, а расчет коэффициента диффузии производят по формуле:

,

где x1 и x2 – расстояние между линией импульсного увлажнения и линиями расположения электродов соответственно первого и второго гальванических преобразователей; Ee - максимально возможное значение сигнала датчиков, соответствующее переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: исследуемый образец из листового ортотропного капиллярно-пористого материала с равномерным начальным распределением растворителя (в том числе и нулевым) помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, например фторопласта. К поверхности образца прижимается зонд с импульсным линейным источником растворителя и расположенными с обеих сторон от линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и на заданных расстояниях от нее электродов двух гальванических преобразователей в виде прямолинейных отрезков. Зонд имеет прямолинейный паз, в котором может перемещаться движущийся источник растворителя постоянной производительности. После подачи линейного импульса растворителя источник растворителя удаляется из зонда, прямолинейный паз герметизируется заглушкой, а сам зонд обеспечивает гидроизоляцию поверхности образца в зоне действия источника и прилегающей к ней области контроля распространения растворителя. После подачи импульса растворителя (мгновенного увлажнения линии поверхности изделия) фиксируют изменение ЭДС гальванических преобразователей во времени.

Для обеспечения контроля коэффициента диффузии в различных направлениях ортотропного материала линию импульсного воздействия ориентируют в заданном направлении материала (например, при исследовании бумаги - в машинном или поперечном направлении). При этом обеспечивается однонаправленный массоперенос в нужном направлении, не искаженный массопереносом в перпендикулярном к исследуемому направлению.

После подачи импульса в виде дозы растворителя изменение концентрации U растворителя на расстоянии x0 от источника описывается уравнением:

, (1)

где - концентрация растворителя в исследуемом изделии на расстоянии x0 от линейного источника импульса массы в момент времени τ; D - коэффициент диффузии; ρ0 – плотность абсолютно сухого исследуемого материала; W – мощность «мгновенного» источника растворителя, подействовавшего в начале координат x = 0, вычисляемая как отношение количества жидкой фазы, подведенной из дозатора к плоской поверхности изделия, к произведению длины полосы импульсного воздействия L на толщину h исследуемого материала.

При толщине листового материала h < 10 x0 коэффициент диффузии D связан с моментом времени τmax0 следующим соотношением:

, (2)

где τmax0 - время, соответствующее максимуму на кривой U(x0, τ) изменения концентрации на расстоянии x0 от линейного источника.

При реализации предлагаемого способа измерению подлежат только изменения во времени ЭДС гальванических преобразователей на расстоянии x1 и x2 от источника без использования предварительной процедуры градуировки преобразователя. Расчетная зависимость для определения искомого коэффициента диффузии получена на основании следующих исследований. После импульсного воздействия дозой растворителя на заданном расстоянии x0 от линейного источника наблюдается изменение концентрации в виде характерных кривых, имеющих восходящую ветвь от начала импульсного воздействия до момента τmax и нисходящую ветвь, наблюдаемую после наступления момента τmax. При этом одинаковые значения концентрации U*, достигаемые в моменты времени τ1 и τ2 на нисходящих ветвях кривых изменения концентрации во времени на расстояниях соответственно x1 и x2 могут быть определены из выражения (1) с учетом (2):

(3)

. (4)

Деление (3) на (4) приводит к следующему выражению:

. (5)

Из (5), с учетом выражения (2) для каждого из x1 и x2, получено расчетное выражение для определения искомого коэффициента диффузии:

(6)

Для определения искомого коэффициента диффузии в предлагаемом способе измерению в моменты времени τ1 и τ2 подлежат не значения концентрации и , а связанные с ними одинаковые значения ЭДС применяемого гальванического преобразователя в отсутствие предварительно найденной в результате градуировки статической характеристики. Для повышения точности необходимо, чтобы в данные моменты времени τ1 и τ2 измеряемое значение ЭДС находилось на среднем (рациональном) участке статической характеристики, характеризующегося стабильным сигналом преобразователя и высокой чувствительностью к изменению концентрации. Исследования показывают, что рациональный участок статической характеристики соответствует изменению ЭДС преобразователя в диапазоне:

(0,7 – 0,9) Ee, (7),

где Ee – сигнал преобразователя, соответствующий переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния (максимальный сигнал на плато насыщения статической характеристики). При значениях ЭДС преобразователя свыше 0,9 Ee существенно возрастает разброс экспериментальных значений из-за существенной нелинейности статической характеристики и потери чувствительности преобразователя к изменению концентрации растворителя вблизи зоны насыщения из-за существенного ослабления связи молекул растворителя с твердой фазой контролируемого капиллярно-пористого материала. При значениях ЭДС преобразователя ниже 0,7 Ee существенно возрастает разброс экспериментальных значений за счет нестабильности сигнала преобразователя, вызванного возрастанием электрического сопротивления контролируемого капиллярно-пористого материала в области низких значений концентрации растворителя.

Пример. Были проведены исследования коэффициента диффузии влаги вдоль волокон бумаги толщиной 0,18 мм, плотностью в сухом состоянии 2,6 × 102 кг/м3. Расстояние от линии нанесения дозы влаги до расположения электродов гальванических преобразователей: x1 = 4 мм и x2 = 6 мм. Вносимая доза влаги составляла приблизительно 2.7×10-5 кг. Расчетное значение ЭДС, соответствующее моментам времени τ1 и τ2, выбиралось приблизительно равным 0,9 Ee (фигура 1). В результате получены следующие значения: τ1= 4388 с и τ2= 3766 с. Рассчитанное по (6) значение коэффициента диффузии равно ≈ 1.93 ×10-8 м2/с.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что случайная погрешность результата определения коэффициента диффузии влаги при доверительной вероятности составляет ≈8%. Длительность эксперимента не превышает 90 минут.

Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах, заключающийся в том, что в исследуемом листовом материале создают равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя, затем исследуемый материал помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизолируют верхнюю поверхность материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное увлажнение исследуемого материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, выполняют электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, и на одинаковом заданном расстоянии от нее, фиксируют момент времени достижения заданного значения сигнала гальванического датчика и рассчитывают коэффициент диффузии, отличающийся тем, что измеряют изменение во времени сигнала дополнительного гальванического датчика, прямолинейные электроды которого расположены на другом расстоянии от линии нанесения импульса дозой растворителя, фиксируют моменты времени τ1 и τ2, при которых достигаются одинаковые значения сигналов соответственно первого датчика E1 и второго датчика E2 из диапазона (0,7–0,9)Ee на нисходящих ветвях кривых изменения сигналов во времени этих двух датчиков, а расчет коэффициента диффузии производят по формуле

,

где x1 и x2 – расстояние между линией импульсного увлажнения и линиями расположения электродов соответственно первого и второго гальванических преобразователей; Ee - максимально возможное значение сигнала датчиков, соответствующее переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к меченому нуклеотиду для секвенирования нуклеиновых кислот, к способу секвенирования нуклеиновых кислот с его использованием и к набору для секвенирования нуклеиновых кислот. Предлагаемый меченый нуклеотид содержит нуклеотид, связывающую группу, присоединенную к фосфатной группе указанного нуклеотида, и редокс-активную зарядную метку, присоединенную к связывающей группе, причем указанная редокс-активная зарядная метка подлежит окислению или восстановлению посредством токопроводящего канала при удерживании вблизи чувствительной зоны токопроводящего канала.

Изобретение относится к устройствам для определения концентрации уровня метана (СН4), оксида углерода (СО), сероводорода (H2S), объемной доли кислорода (О2) в водопроводных и канализационных колодцах, а также в заглубленных водопроводных и канализационных насосных станциях и предназначено для обнаружения и мониторинга опасных газов в окружающем воздухе таких колодцев и станций.

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для селективного количественного детектирования антибиотиков тетрациклинового и пенициллинового ряда, стрептомицина и левомицетина в молоке и молочных изделиях. Способ качественного и количественного детектирования антибиотиков тетрациклинового и пенициллинового ряда, стрептомицина и левомицетина в молоке и молочных изделиях заключается в использовании автоматического режима электрохимического детектирования с использованием программируемого потенциостата в режиме мультиизмерений и модифицированного наноразмерными катализаторами, на основе комплексов рутения и меди, рабочего электрода, которые способны к селективному связыванию с антибиотиками тетрациклинового и пенициллинового ряда, стрептомицина и левомицетина в молоке и молочных изделиях без предварительного их выделения, причем в емкость помещают 5 мл молока или молочного изделия, затем в нее опускают модифицированный рабочий электрод, в течение 2 с при потенциале процессов от +0.5 В до -1 В проводят измерения и регистрируют значение тока, далее по калибровочной прямой определяют концентрацию антибиотиков, при этом концентрация антибиотиков может варьироваться в диапазоне 10-8–10-4 моль/л.

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к вольтамперометрическому способу определения салицина. Способ количественного определения салицина включает его предварительный гидролиз в 0,1М при нагреве до 90°С в течение 1 часа и вольтамперометрическое определение в двухэлектродной системе по анодному пику на стеклоуглеродном электроде, получающемуся при гидролизе соответствующего спирта салигенина, при этом накопление салигенина в перемешиваемом растворе проводят при барботировании инертным газом в течение 30 с при потенциале -0,4 В относительно насыщенного ХСЭ на фоновом электролите 0,1 М Na2HPO4 с последующей регистрацией анодных пиков в дифференциальном режиме съемки вольтамперограмм при скорости развертки потенциала 25-30 мВ/с, концентрацию салицина определяют по высоте пика салигенина в диапазоне потенциалов 0,7-0,8 В методом одного стандарта.

Изобретение относится к области учебного оборудования и касается конструкции измерительных модулей, например с сенсором для измерения водородного показателя. Техническим результатом является обеспечение возможности проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложены устройство и способ автоматизации параллельной безметочной детекции биологического маркера.

Изобретение относится к области аналитической химии ионов мышьяка и направлено на разработку вольтамперометрического способа определения ионов мышьяка в водных растворах. Изобретение предназначено для практического химического анализа ионов мышьяка в жидких образцах (природных поверхностных и сточных вод, технологических растворов и т.д.) и применения в экологических, медицинских и других лабораториях, выполняющих химико-аналитические определения ионов мышьяка.

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложен способ определения антибиотиков в сыром молоке, который включает отбор проб сырого молока; приготовление буферного раствора с рН, выбранным из диапазона 4,0-8,0; нанесение полученного буферного раствора на электроды электрохимических сенсоров; проведение измерений проб сырого молока с использованием сенсорной платформы, состоящей из тест-полоски и потенциостата, где тест-полоска с электродами представляют собой массив электродов, при этом селективный слой наносится на поверхность электродов с помощью химической модификации поверхности при использовании полиэлектролитов, а в качестве селективного элемента используют аптамер, при этом потенциостат включает в себя модули для наложения и снятия электрического сигнала, модули для преобразования и передачи сигнала; обработку и анализ полученных электрических сигналов.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам определения формальдегида в корковых укупорочных средствах для винодельческой продукции. Способ определения формальдегида в корковых пробках, используемых в виноделии, методом капиллярного электрофореза включает подготовку пробы путем экстрагирования корковых пробок, проведение процесса дериватизации, непосредственную идентификацию, при этом в качестве среды для экстракции использован модельный раствор, близкий по составу к винодельческой продукции 20%-ный водно-спиртовой раствор с добавлением 2%-ного раствора лимонной кислоты, при контакте с исследуемыми образцами не менее суток; в качестве деривата используется 2,4-динитрофенилгидразин; оптимальными значениями длины волны применяемого высокоэффективного капиллярного электрофореза явились 320-420 нм.

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к исследованию свойств веществ путем вольтамперометрического определения для оценки антирадикальной активности объектов искусственного и природного происхождения в отношении ОН-радикалов. Способ определения антирадикальной активности веществ включает оценку антирадикальной активности по степени повреждения самоорганизующегося монослоя алкантиолов на индикаторном электроде под воздействием генерируемых ОН-радикалов в присутствии и отсутствие тестируемых веществ путем вольтамперометрической оценки аналитического сигнала в трехэлектродной электрохимической ячейке, где в качестве индикаторного электрода используют ртутно-пленочный электрод, в качестве электрода сравнения хлорид-серебряный электрод, при этом вначале регистрируют вольтамперограммы фонового тока электровосстановления кислорода в постоянно-токовом режиме в диапазоне потенциалов от 0 до -0,6В, индикаторный электрод извлекают из электрохимической ячейки и опускают рабочую поверхность электрода в 1,0 M раствор алкантиола в этаноле на 20 с, затем, используя тиолированный индикаторный электрод, регистрируют вольтамперограммы электровосстановления кислорода, электрод извлекают, помещают в раствор перекиси водорода с концентрацией 0,1 М и облучают в ультрафиолетовом спектре в течение 60 с, после чего на обработанном тиолированном индикаторном электроде проводят регистрацию вольтамперограмм электровосстановления кислорода, индикаторный электрод извлекают из электрохимической ячейки и опускают рабочую поверхность электрода на 20 с в раствор 1,0 M алкантиола в этаноле, электрод возвращают в электрохимическую ячейку и проводят регистрацию вольтамперограмм электровосстановления кислорода, далее извлекают индикаторный тиолированный электрод из электрохимической ячейки, помещают его в раствор перекиси водорода с концентрацией 0,1 М, содержащей раствор анализируемого вещества в исследуемой концентрации, и облучают в течение 60 с в ультрафиолетовом спектре, затем тиолированный индикаторный электрод возвращают в электрохимическую ячейку, проводят регистрацию вольтамперограмм электровосстановления кислорода и определяют коэффициент антирадикальной активности R по формуле: R=1-((Srs-St)/(Sr-St)), где St - площадь под вольтамперограммой электровосстановления кислорода после нанесения монослоя алкантиолов; Sr - площадь под вольтамперограммой электровосстановления кислорода после обработки тиолированного электрода свободными радикалами при отсутствии анализируемого вещества; Srs - площадь под вольтамперограммой электровосстановления кислорода после обработки тиолированного электрода свободными радикалами в присутствии анализируемого вещества.

Изобретение относится к области исследования свойств поверхностей твёрдых тел и может найти применение при решении фундаментальных и прикладных задач в химической, нефтехимической, лакокрасочной, фармацевтической и пищевой промышленности. Сущность: осуществляют определение краевого угла смачивания обезжиренной поверхности твёрдого тела с молярным объёмом , определение высоты нарушения сплошности объёма капли на сухой поверхности твёрдого тела и определение поверхностного натяжения по формуле, Н/м: , где ; ρж – плотность жидкости, кг/м3; wк – скорость свободного падения капли с высоты, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м/с; dк – диаметр капли, м; k – коэффициент, учитывающий проекцию силы поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ на плоскость расположения поверхности твёрдого тела; h – высота свободного падения капли, при которой начинает нарушаться сплошность её объёма на поверхности, м; θ – краевой угол смачивания при натекании жидкости на поверхность при температуре 293 К, град.; Т – температура поверхности твёрдого тела, К; Vм – молярный объём вещества твёрдого тела, м3/моль.
Наверх