Химия и Химические технологии/7.Неорганическая химия

Магистрант Муканова Н.К., к.т.н. Акаева Т.К.

Костромской государственный университет им. Н. А. Некрасова, Россия

Методика изучения диффузионных процессов

В реальных условиях протекания химических, химико-технологических процессов основными физико-химическими явлениями, протекающими в аппаратах, являются диффузионные – массообмен и массопередача. Именно диффузионные процессы, как правило, являются лимитирующими, то есть определяющими скорость процесса в целом. Роль исследований в области диффузионных процессов постоянно растет. Развивающиеся области техники и современные технологии требуют создания новых материалов с заранее заданными свойствами. Для научного обоснования их выбора необходимо развивать и углублять знания о механизмах диффузионного переноса веществ, их математического моделирования.

С целью определения распределения массы вещества в результате диффузии разработали методику проведения эксперимента на модельных веществах, в качестве которых использовали водные растворы хромата и дихромата калия. Они имеют ярко выраженную окраску - желтую и оранжевую соответственно и по этому признаку являются светопоглощающими. Это позволяет наблюдать за процессом визуально и анализировать пробы, используя высокочувствительный и достаточно точный спектрофотометрический метод количественного анализа.

Чтобы использовать спектрофотометрический метод для измерения концентраций в пробах, было выполнено сканирование спектров в диапазоне длин волн поглощения излучения исследуемыми растворами и произведен выбор длин волн, отвечающих максимуму поглощения. Для связывания оптической плотности светопоглощающих растворов с его концентрацией, получены градуировочные кривые.

Для измерения оптической плотности светопоглощающих растворов исследуемых веществ использовался спектрофотометр UNICO 2800, работающий в диапазоне длин волн 190 – 1100 нм и обеспечивающий измерение коэффициента пропускания от 100 до 1% (А = 0,3 ¸ 3).

Для экспериментального определения скорости молекулярной диффузии в жидких средах разработали установку из стандартных деталей из термостойкого стекла и соединительных шлангов. Данное аппаратурное оформление позволяет исключить перемешивание на границе раздела сред, обеспечив одинаковые начальные условия проведения опытов. Измерительные ячейки в количестве 16 штук обеспечивают проведение необходимого для статистической обработки числа параллельных измерений концентраций в вертикальном слое жидкости. Устройство имеет небольшие массогабаритные характеристики (вес – 1,8 кг, линейные размеры – 20×20×35 см), надежно крепится на специальном штативе, который создает возможность вращения установки вокруг собственной оси), что облегчает эксплуатацию устройства (заполнение измерительных ячеек растворами, отбор проб, обслуживание).

В установленное время производится отбор проб в объеме 10 % от объема раствора в измерительной ячейке. Проба отбирается с помощью дозатора на высоте 5 см от введенного окрашенного раствора (уровень верхней метки на ячейке). Время отбора проб для каждого значения фактора – температура определялось экспериментально в предварительных опытах.

Используя в качестве метода аппроксимации градуировочных кривых метод линейного приближения через ноль, для нахождения концентраций вещества по измеренной величине оптической плотности получены следующие уравнения:

– для растворов дихромата калия: С = 88,04∙А (R² = 1,000);

– для растворов хромата калия: С = 45,84∙А (R² = 0,999).

Исходными данными для определения скорости изменения концентрации диффузанта в растворе являются: время начала опыта, время отбора проб, концентрация исследуемого вещества в отобранных пробах. Пробы отбирались дважды. Устройство позволяет проводить отбор проб в
6 – 8 измерительных ячейках в каждой временной точке (t_i = const, i = 1, 2), обеспечив необходимое для статистической обработки число параллельных измерений.

Таким образом, получаем две точки с координатами (t_i, С_i): t_i – время (с), прошедшее с момента приведения в соприкосновения раствора диффузанта с растворителем, С_i – концентрация исследуемого вещества в отобранной пробе (г/л) в момент времени t_i (i = 1, 2). Через две точки (t_i, С_i), где i = 1, 2 проводим прямую, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс (коэффициент перед переменной t в уравнение прямой) характеризует среднюю скорость изменения концентрации вещества за интервал времени (t₂ – t₁).

Результаты проведения однофакторных экспериментов (влияние концентрации, температуры среды, размера частиц) показали их существенное влияние на скорость диффузии. При этом между концентрацией диффундирующего вещества и скоростью диффузии установлена прямая, сильная, значимая корреляционная связь (R= 0,990, р<0,001). Полученная линейная модель =3,8795∙х высоко информативна (R²= 98,09) и значима (p<0,001).

Полученные расчетно-экспериментальные значения скорости изменения концентрации по порядку величин находятся в соответствии со справочными данными. Анализ результатов поведенных опытов позволяет сделать вывод о возможности использования предложенного способа к количественному описанию массопереноса и реализовать дробный факторный эксперимент с последующей обработкой полученных данных в виде регрессионной математической модели.