Физические свойства вод различной кластерной структуры

На основании анализа теоретических подходов к формированию цветности [2] и результатов экспериментальных исследований в этой области [1, 3] установлено влияние на качественные показатели пигментов и красителей следующих факторов: форма кристалла, состав химических элементов входящих в структурную формулу, пространственное строение молекулы, гранулометрический состав кристаллов, состав и концентрация примесей, приоритетным среди которых является наличие водорастворимых солей в пасте готового продукта, удаление которых из паты повысит качество продукта. Формирование растворителя, обладающего максимальной растворимостью натриевых солей обеспечит решение задачи улучшения качественных показателей азопигментов.

В качестве растворителя использовались воды различных кластерных структур. Исходя из того, что вид элементарного кластера определяет свойства воды, можно, меняя кластеры (структуру) воды с помощью различных воздействий, изменять ее свойства. Поэтому в качестве исходного образца деструктурированной воды использовался дистиллят. Формирование и изменение структуры воды обеспечивалось замораживанием, воздействием наноуглеродными материалами.

Исследования проводили на водах следующих структур: дистиллированная вода; талая дистиллированная; дистиллированная вода, пропущенная через углеродную смесь высокой реакционной способности (УСВР); артезианская вода; талая артезианская; артезианская вода, пропущенная через (УСВР).

Задачами экспериментальных исследований являлась:

• определение физико-химических свойств растворителя (плотность, поверхностное натяжение, электрическая проводимость) в зависимости от его кластерной структуры и наноматериалов;
• изучение влияния температуры на электрическую проводимость растворителя различной кластерной структуры без наличия и с присутствием материалов в наноструктурированной форме;
• определение растворимости солей (на примере хлорида натрия NaCl) в растворителе в зависимости от кластерной структуры воды и наноматериалов;
• формирование растворителя с максимальной растворимостью соли (NaCl).

Определение физико-химических свойств растворителей соли (NaCl)

Определяли следующие физико-химические свойства растворителя: плотность, поверхностное натяжение, электрическую проводимость и влияние на величины этих показателей кластерной структуры растворителя, материалов в наноструктурированной форме и температуры.

Плотность одно из важнейших свойств воды, которое зависит от ее структурного состояния. Плотности дистиллированной и артезианской вод при температуре 20 ⁰С составляют соответственно 0,990 г/см³ и 0,998 г/см³.

Установка для определения плотности растворителя

Определение плотности растворителя проводили с помощью установки представленной на рисунке 1. Установка состоит из ареометра общего назначения АОН-1 1 для измерения плотности жидкостей растворов и цилиндра 2 на стеклянном или пластиковом основании с рекомендуемым объемом для погружения ареометра 100 мл с внешним диаметр 25 мм и высотой 230 мм.

Рис. 1. Установка для определения плотности растворителя
(слева - фотография, справа - схематический чертеж):
1 – ареометр общего назначения АОН-1; 2 – цилиндр объемом 100 мл

Измерение плотности растворителя проводили при помощи ареометра общего назначения АОН-1 ГОСТ 18481-81, применяемого для измерения плотности жидкостей и растворов. Общая высота ареометра 170 мм, диаметр погружной части 20 мм. Единицы измерения плотности – кг/м3. Цена деления 1 кг/м3, диапазон 700-1840 кг/м³, разбиение на диапазоны через 60 единиц. Диапазон измеряемой экспериментально плотности растворителя: 940–1000 и 1000–1060 кг/м³.

При измерении плотности одновременно определяли температуру жидкости (растворителя), пользуясь термометром для измерения температуры различных сред в лабораторных условиях марки СП-95 (диапазон измерений от +10 до +35 0С, цена деления шкалы – 0,10 0С, длина – 235 мм, диаметр – 10 мм, термометрическая жидкость – ртуть) с погрешностью показаний не более ±0,5 0С.

Учитывали, показания прибора только при той температуре, при которой была градуирована шкала, так как входящий в уравнение объем погруженной части ареометра зависит от температуры жидкости.

При измерении плотности жидкости, температура которой отличается от нормальной температуры ареометра, вводим поправку к показанию прибора:

где  – поправка к показанию прибора, г/см³;

β = 0,000025 ⁰С^-1 – коэффициент объемного расширения стекла;

ρ – показание плотности ареометра, г/см³;

t – температура жидкости, ⁰С;

t₀ – нормальная температура ареометра, равная 20 ⁰С.

Тогда значение действительной плотность ρ_t, г/см³ измеряемой жидкости составит:

.

Поправку к показанию прибора (ареометра) вводили в тех случаях, когда температура жидкости, при которой проводили измерения значения плотности, отличалась от нормальной температуры ареометра, т. е. от 20 ⁰С.

Величины плотности вод различной кластерной структуры приведены в таблице 1, значения которых, рассчитаны на основе результатов экспериментальных исследований.

Таблица 1

Плотность вод различной кластерной структуры

Из анализа полученных значений плотностей (таблица 1) видно, что плотность воды меняется с изменением кластерной структуры, и она отличается от исходного образца – дистиллированной воды.

Поверхностное натяжение растворителя различной кластерной структуры

Поверхностное натяжение, как и плотность воды, является одним из показателей зависящих от ее структуры, ее химической чистоты и температуры, которая представляет собой силу, приложенную к единице длины произвольной линии, проведенной на свободной поверхности жидкости.

Определение значения поверхностного натяжения растворителя проводилось путем замера максимального давления в газовом пузырьке. Метод основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр.

При медленном продавливании пузырька из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением σж-г и кривизной поверхности пузырька. Радиус кривизны rм изменяется но мере продавливания пузырька в жидкость.

При определении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке воздуха следует также учитывать гидростатическое давление слоя жидкости, находящейся над ним. Однако, глубина погружения капилляра в жидкость незначительна и радиус r мал, поэтому поправку на это давление не вводили.

Максимальное давление в пузырьке измерили с помощью прибора Ребиндера.

Расчет значений поверхностного натяжения растворителя

Чтобы исключить трудоемкую операцию по измерению радиуса капилляра, для определения поверхностного натяжения используем относительный метод. Для этого находим константу ячейки k, которую рассчитываем по значениям максимального давления  и поверхностного натяжения σ_ст для стандартных жидкостей:

где k – константа ячейки, м;

σ_ст – поверхностное натяжение жидкости, принятой за стандарт, Дж/м²;

 – перепад давления в пузырьке стандартной жидкости, Па.

Определив коэффициент k, и измерив, давление  для исследуемой жидкости, рассчитывали значение

где  – поверхностное натяжение на границе «жидкость – газ», Дж/м²;

 – перепад давления в пузырьке исследуемой жидкости, Па.

Значения величин поверхностного натяжения для вод различной кластерной структуры приведены в таблице 2.

Таблица 2

Величины поверхностного натяжения вод различной кластерной структуры

Из анализа результатов таблицы 2 видно, что величина показателя поверхностного натяжения выше у вод, прошедших деструктуризацию углеродным наноматериаллом.

Электрическая проводимость растворителя различной кластерной структуры при наличии наноматериалов и при различной температуре

Электрическая проводимость является одной из наиболее чутких к структуре вод характеристик, представляющая собой способность веществ проводить электрический ток, обусловленная наличием в них подвижных заряженных частиц (носителей заряда) – электроионов, ионов и др. – возникающих в результате электролитической диссоциации. Электропроводность зависит от: концентрации ионов; природы ионов; температуры раствора; вязкости раствора

Измерение электропроводности – один из важных методов исследования растворов, который позволяет выяснить динамику носителей заряда в макроскопическом теле, характер их взаимодействия (столкновений) друг с другом и с другими объектами в теле в зависимости от структуры проводника.

Для экспериментального исследования электрической проводимости растворителя (вод различной кластерной структуры) применяемого для удаления водорастворимых солей из суспензии органических пигментов использовалась экспериментальная установка представленная на рисунке 2.6, состоящая из анализатора жидкости РР-50 фирмы Sartorius AG 1 с встроенным термометром (модель профессиональной серии РР-50 – рН-метр, иономер и кондуктометр в едином корпусе предназначеный для применения в широком диапазоне задач, решаемых с помощью потенциометрического анализа), кондуктометрической ячейки для измерения электрической проводимости.

Электрическая проводимость растворителя определяется количеством ионов, переносящих электричество, и скоростью их миграции.

В таблице 3 представлены значения проводимости вод различной кластерной структуры, полученные в результате обработки значений экспериментальных величин.

Таблица 3

Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры

Из анализа полученных значений электрической проводимости (таблица 3) видно, что проводимость вод меняется с изменением их кластерной структуры.

Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при наличии металлов в наноструктурированной форме

В качестве металлов в наноструктурированной форме использовали элнменты 1 и 8 групп 4 периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, а именно: Cu, Fe, Ni, с размерами наночастиц более 100 нм.

Определение электрической проводимости вод различной кластерной структуры в зависимости от введенных материалов в наноструктурированной форме проводили экспериментально

В таблице 4 представлены значения проводимости вод разных кластерных структур при наличии металлов в наноструктурированной форме.

Таблица 4

Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при наличии материалов в наноструктурированной форме

Из анализа полученных значений электрической проводимости (таблица 4) видно, что проводимость вод различной кластерной структуры меняется в зависимости от вводимых нанометаллов.

Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при различных значениях температуры

Изучение влияния температуры на показания электрической проводимости вод различной кластерной структуры определения электрической проводимости растворителя проводили при заданных температурах в диапазоне от 23 до 33 ⁰С.

Экспериментальные исследования по оценке влияния температуры на электрическую проводил вод различной кластерной структуры проводились для: талой артезианской воды; артезианской воды, пропущенной через УСВР, артезианской воды.

Графическая зависимость по результатам экспериментальных исследований по оценке влияния температуры на электрическую проводимость вод различной кластерной структуры представлены на рисунке 2, из которых видно, что с ростом температуры происходит линейный рост проводимости, как обычной артезианской воды, так и вод подвергшихся структуризации. Так для артезианской воды рост проводимости происходит с 819,8824 мкСм/см при 23 ⁰С до 921,982 мкСм/см при 34 ⁰С; для артезианской воды, пропущенной через УСВР с 510,385 мкСм/см при 23 ⁰С до 582,7108 мкСм/см при 34 ⁰С; для талой артезианской воды с 586,7931 мкСм/см при 23 ⁰С до 690,3386 мкСм/см при 34 ⁰С. Следовательно, чем меньше электропроводимость вод, тем больше рост данного показателя с увеличением температуры.

Рис. 2. Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при различных температурах:
1 – артезианская вода; 2 – артезианская вода, пропущенная через УСВР; 3 – талая артезианская вода

Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при наличии металлов в наноструктурированной форме в зависимости от изменения температуры

Рис. 3. Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при различных температурах при ведении нанометала Fe:
1 – артезианская вода; 2 – артезианская вода, пропущенная через УСВР; 3 – талая артезианская вода

Экспериментальные исследования по оценке влияния температуры на электрическую проводимость вод различной кластерной структуры (талая артезианская вода; артезианская вода, пропущенная через УСВР; артезианская вода и артезианская вода) с введенными наноструктурированными материалами – Cu, Ni, Fe.

Рис. 4. Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при различных температурах при ведении нанометала Ni: 1 – артезианская вода; 2 – артезианская вода, пропущенная через УСВР; 3 – талая артезианская вода

Графические зависимости по результатам экспериментальных исследований по оценке влияния температуры на электрическую проводимость вод различной кластерной структуры с введенными нанометаллами представлены на рисунках 3–8.

Рис. 5. Электрическая проводимость вод различной кластерной структуры при различных температурах при ведении нанометалла Cu: 1 – артезианская вода; 2 – артезианская вода, пропущенная через УСВР; 3 – талая артезианская вода

Рис. 6. Электрическая проводимость артезианской воды при введении наноструктурированных металлов при различных температурах: 1 – артезианская вода; 2 – артезианская вода с нано–Fe; 3 – артезианская вода с нано–Cu; 4 – артезианская вода с нано–Ni

Рис. 7. Электрическая проводимость талой артезианской воды при введение наноструктурированных металлов при различной температуре: 1 – талая артезианская вода; 2– талая артезианская вода с нано–Fe;
3 – талая артезианская вода с нано–Cu; 4 – талая артезианская вода с нано–Ni

Результаты экспериментальных исследований по оценке зависимости электрической проводимости вод различной кластерной структуры при введенных наноструктурированных металлов от температуры представлены на рисунках 3–8, из которых видно, что наблюдается линейный рост проводимости с повышением температуры независимо от структуры воды и типа, введенных нанометаллов, что не противоречит общепринятым теоретическим подходам в тепловых процессах [4].

Рис. 8. Электрическая проводимость артезианской воды, пропущенной через УСВР при введении наноструктурированных металлов при различной температуре: 1 – артезианская вода, пропущенная через УСВР;
3 – артезианская вода, пропущенная через УСВР с нано–Cu; 4 – артезианская вода, пропущенная через УСВР с нано–Ni

Выводы

Приведены экспериментальные исследования позволили определить физические свойства вод различной кластерной структуры, что является необходимым условием для создания растворителя натриевых солей с максимальной их растворимостью для обеспечения высокого качества органических пигментов.