Способность электролитов при подаче на них электрического тока становиться проводниками называется электролитической электропроводимостью. Рассмотрим солевые и кислотные электролиты, а также электролиты-основания, относящиеся к водным растворам. Данные вещества отличаются тем, что концентрация образующихся в них анионов (ионов заряженных отрицательно) и катионов (ионов заряженных положительно) вследствие электролитической диссоциации 2 достаточно высока. Растворы-электролиты относятся ко второму роду проводников. Их проводимость в электрическом поле, в отличие от первой группы проводников, обусловлена ионной активностью.
Проводники обладают способностью к сопротивлению (R). По закону Ома эта величина находится в прямой пропорции по отношению к длине проводника (l ), а к площади (S) его сечения она обратно пропорциональна. Коэффициент пропорциональности - показатель удельного сопротивления (ρ) проводника сантиметровой длины с сечением 1 см 2:
Электропроводность обозначается См (S) и измеряется в единицах системы СИ - в сименсах (siemens). Получаем следующее выражение: Ом −1 = кг −1 .м −2 .с 3 А 2 .
Различают электропроводность удельную ( K - каппа) и молярную илииначе эквивалентную ( Λ - лямбда) 3 .
Примечание 1: Концентрации приведены в граммах на килограмм раствора.
Примечание 2: Термин «электролитическая диссоциация» обозначает частичный либо полный молекулярный распад на катионы и анионы растворяемого вещества.
Примечание 3: Употребление термина «эквивалентная электропроводность» не рекомендовано. Основание - инструкция, составленная Комиссией союза чистой и прикладной химии. В международной электрохимической номенклатуре IUPAC принят термин «молярная электропроводность».
1. Удельная электропроводность
Ее используют для количественного определения способности электролитных растворов проводить ток. Она обратная удельному сопротивлению - показателю раствора, заполняющего пространство между электродами с площадью в 1 см 2 , помещенными друг от друга на сантиметровом расстоянии:
Эта величина определяется природой электролитного раствора, его температурой и насыщенностью. Удельная электропроводность возрастает с повышением температуры, что является отличительной особенностью таких электролитов в сравнении с проводниками первого рода. Скорость движения ионов возрастает в силу снижения сольватированности ионов и уменьшения вязкости раствора.
Рис.1 наглядно демонстрирует, как изменяется удельная электропроводность в зависимости от концентрированности растворов. За единицу измерения этой величины принят См/м - сименс на метр (1 См/м = 1 Ом-1м-1). Чаще применяется производная величина - мкСм/см.
Удельная электропроводность с подъемом насыщенности сначала возрастает, а достигнув определенного максимума, уменьшается. Нужно отметить, что в отношении сильных электролитов зависимость выражена четко, в отношении же слабых растворов она гораздо слабее. Присутствие на кривых сильных растворов показателей с предельными значениями говорит о том, что скорость ионного движения в разбавленных электролитах от их насыщенности зависит незначительно и вначале возрастает в прямойпропорциональности к количеству ионов. С наращиванием концентрации взаимодействие ионов усиливается, что приводит к уменьшению скорости движения. Участок максимума на кривой слабого электролита обусловлен снижением степени диссоциации, вызванным ростом концентрации. Достигнув определенной насыщенности, концентрация поднимается быстрее, нежели численное содержание ионов в растворе. Чтобы описать влияние ионного взаимодействия и насыщенности электролитов на их электрическую проводимость, пользуются понятием « молярная электропроводность ».
2. Молярная электропроводность
Λ (электропроводность молярная - см. прим. 4) - величина, обратная электролитному сопротивлению для проводника с содержанием вещества 1 моль, который разместили между электродами, установленными друг от друга на сантиметровом расстоянии. Для определения связи молярной электропроводности с молярной концентрированностью раствора (М) и удельной электропроводностью (К) выведено следующее соотношение:
Примечание 4: Удельная электропроводность 1N раствора электролита называется эквивалентной (Λ = 1000 К / N). Концентрация (N) выражается в г-экв/л. Однако инструкция от ИЮПАК термин «эквивалентная электропроводность» употреблять не рекомендует.
Молярная электропроводность в отношении и сильных и слабых электролитов прогрессирует с понижением концентрации (то есть, с падением насыщенности раствора (V = 1/М) его электропроводность повышается). Она достигает предельного показателя Λ 0. Этот максимум носит название молярной электропроводности при бесконечном разведении.
Для электролитов слабых (рис.2) зависимость этой величины от концентрации обуславливается в основном подъемом степени диссоциации, вызванным разбавлением электролитного раствора. В сильных же электролитах со снижением насыщенности ослабляется взаимодействие ионов. Интенсивность их перемещений растет, что и влечет за собой
овышение молярной электропроводности раствора.
Исследования Ф. Кольрауша показывают, каким образом каждый из ионов вносит лепту в молярную электропроводность электролитов бесконечно разведенных растворов (предельное разбавление). Он определил, что λ0 (предельная ионная электропроводность) - это сумма молярных электропроводностей, демонстрируемых катионом и анионом, а также вывел формулировку закона независимости ионного движения:
При бесконечном электролитном разбавлении молярная электропроводность равняется сумме катионных и анионных подвижностей в электролитическом растворе:
Λ 0 = К 0 + + К 0 - (4)
3. Факторы, определяющие электропроводность раствора
Концентрация солей и температура - основные факторы, определяющие водную электропроводность. Основная минеральная составляющая воды в природе:
Катионы K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ;
Анионы HCO 3 - , Cl - , SO 4 2- .
Присутствуют и другие ионы (Al 3+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Fe 2+ , H 2 PO 4 - , NO 3 - , HPO 4 2-), но их влияние на электропроводность несущественна, ведь обычно их содержание в воде мало. Значения электропроводности позволяют судить об уровне ее минерализации. В природе удельная электропроводность воды составляет 100-2000 мкСм/см при минерализации от 50 до 1000 мг/л (в атмосферных осадках -10-120 мкСм/см при минерализации 3-60 мг/л).
4. Электропроводность. Проведение расчетов
Применив формулы 3 и 4, и имея под рукой показатели ионных электропроводностей ( К), можно произвести расчеты электропроводности ( К и Λ ) в отношении любого раствора:
К = (К + + К - ) М /1000 (5)
В приведенной здесь таблице 1 можно найти ионные и предельные ионные электропроводности, характерные для часто встречающихся ионов в разбавленных растворах (температура +18°С).
Таблица 1
Пример 1: Необходимо произвести вычисления по удельной электропроводности (К). Раствор KCl (хлористый калий) 0,0005 М.
Решение: Диссоциация KCl в водных растворах происходит на ионы К + и Cl - . Воспользовавшись справочником, либо данными, приведенными таблице 6, находим показатели ионных электропроводностей при 18°С в разведенных растворах:
К + - концентрация ионов 0,0005 М (λ = 63.7 Ом -1 . см 2 . моль -1);
Cl - - концентрация ионов 0,0005 М (λ = 64.4 Ом -1 . см 2 . моль -1).
Если требуется сделать расчет удельной электропроводности электролитного раствора, в составе которого имеется смесь различных ионов, формула приобретает следующий вид:
k = Σ λ i Мi /1000 (6)
Исчисления, приведенные выше, верны касательно сильных электролитов. В отношении же слабых растворов придется воспользоваться дополнительными расчетами, связанными с использованием констант диссоциаций и определением насыщенности свободными ионами. Молярная электропроводность, например, раствора 0,001 М уксусной кислоты - Λ= 41 Ом-1.см2.моль-1 (18 °С) , однако применив формулу (6) будет выведена величина примерно равная 351.9 Ом -1 .см 2 .моль -1 .
Пример 2: Требуется узнать удельную электропроводность (k) для раствора 0,001 М уксусной кислоты (СН3СООН).
Решение: Диссоциация слабых водных растворов уксусной кислоты происходит на ионы CН 3 СОО - и Н + (СН 3 СООН ↔ Н + + CН 3 СОО -).
Константа - КСН 3 СООН = [Н+] . / [СН 3 СООН].
Для кислоты одноосновной - [Н+] = = х.
Насыщенность диссоциированными молекулами слабой кислоты в сравнении с общей концентрацией слишком низка, и значит, ее можно принять за равную М (М = 0.001моль/л).
КСН 3 СООН = х 2 /М, К СН3СООН = 1.8 . 10 -5 .
По условию: насыщенность кислоты 0.001 М (0.001 г-экв/л).
Располагая данными по насыщенности ионами Н + и CН 3 СОО - , а также по их электропроводности (λ н+ 0.001 = 311 Ом -1 . см 2 . моль -1 , λ снзсоо- 0.001 ≈ 40.9 Ом -1 . см 2 . моль -1), вычисляется удельная электропроводность «k».
k = (311 + 40.9) . 0.001/1000 = 3,52 .10 -4 Ом -1 см -1 (См/см) или 352 мкСм/см.
Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность коррекции показателя «Электропроводность» для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman . Мы предложим Вам оптимальную технологическую схему очистки воды.
Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость — величина обтаная сопротивлению . В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах : [См]=.
Виды электропроводимости:
— Электронная проводимость , где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается.
— Ионная проводимость . Существует в газообразных и жидких средах, где имеются свободные ионы, которые также переносят заряды, перемещаясь по объёму среды под действием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Используется в электролитах. С ростом температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется большее количество ионов с высокой энергией, а также снижается вязкость среды.
— Дырочная проводимость . Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах. Такой принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.
Самыми первыми материалами, которые стали использоваться в электротехнике исторически были металлы и диэлектрики (изоляторы, которым присуща маленькая электрическая проводимость). Сейчас получили широкое применение в электронике полупроводники. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величину электрической проводимости в полупроводниках можно регулировать различным воздействием. Для производства большинства современных проводников используются кремний, германий и углерод. Кроме того, для изготовления ПП могут использоваться другие вещества, но они применяются гораздо реже.
В важное значение имеет передача тока с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с большой электропроводностью и, соответственно, маленьким электросопротивлением. Самым лучшим в этом отношении является серебро (62500000 См/м), далее следуют медь (58100000 См/м), золото (45500000 См/м), алюминий (37000000 См/м). В соответствии с экономической целесообразностью чаще всего используются алюминий и медь, при этом медь по проводимости совсем немного уступает серебру. Все остальные металлы не имеют промышленного значения для производства проводников.
Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М» (далее - измерители) предназначены для одновременных измерений удельной электрической проводимости воздуха положительной (X) или отрицательной (X-) полярности.
Описание
Конструктивно измерители выполнены в виде выносного блока (блок аспирационных измерительных конденсаторов - БАИК) и блока питания и сопряжения (БПС), соединенных сигнальным кабелем.
Внутри БАИК расположены два аспирационных измерительных конденсатора (АИК), платы электрометрических усилителей (ЭМУ), вентилятор и блок управления. На лицевую панель блока вынесен разъем для подключения сигнального кабеля. Управление режимом работы измерителей и снятие показаний осуществляется с помощью компьютера со специальным программным обеспечением.
В состав БПС входят промышленно изготавливаемый импульсный преобразователь напряжения ~220/+24 В, 45 Вт, плата формирования рабочего напряжения АИК, модуль ЦАП NL-4AO для управления этой платой и встроенный генератор контрольного напряжения. На лицевой панели расположен тумблер «Сеть» для подключения БПС к сети и светодиод, сигнализирующий о подключении БПС к сети. На заднюю панель БПС вынесены разъемы для подключения кабеля сетевого питания, подключения к ПК, подключения сигнального кабеля к БАИК, подключения коаксиального кабеля от внешнего контрольного устройства, тумблеры для перевода измерителей в режим контроля, переключения между встроенным и внешним источниками контрольного напряжения, а также клемма защитного заземления.
В качестве встроенного источника контрольного напряжения используется встроенный генератор контрольного напряжения, который предназначен для формирования изменяющегося по линейному закону напряжения для контроля работоспособности измерителей.
Принцип действия измерителей основан на протекании тока через измерительный электрод АИК под действием приложенного напряжения на другой электрод при продувании через него исследуемого воздуха и преобразовании этого тока в выходное напряжение с его последующим измерением. Значение выходного напряжения пропорционально измеряемой удельной электрической проводимости соответствующей полярности.
Измерители работают под управлением персонального компьютера (ПК), связь с ПК осуществляется по линии цифровой связи стандарта EIA RS-485 в формате «запрос-ответ».
Внешний вид измерителей с указанием места нанесения знака утверждения типа и пломбирования (наклеек) приведены на рисунке 1.
1, 2, 3, 4 - места размещения наклеек Рисунок 1 - Общий вид измерителя «Электропроводность-2М» и места размещения наклеек
Программное обеспечение
Программное обеспечение (ПО) предназначено для установки на персональный компьютер (ПК), управляющий измерителями.
ПО представляет собой программный пакет, состоящий из основного исполняемого модуля Conduct_2M_Logger и дополнительных программных библиотек. ПО устанавливается на ПК под управлением операционной системы Windows XP или под управлением операционных систем более высоких версий.
Идентификационные данные ПО приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Идентификационные данные ПО
Уровень защиты ПО от преднамеренного и непреднамеренного вмешательства соответствует уровню «низкий» по Р 50.2.077-2014.
Таблица 2 - Метрологические и технические характеристики измерителей
|
Наименование характеристики |
Значения характеристики |
|
Диапазон измерений полярной (положительной или отрицательной) удельной электрической проводимости воздуха, фСмм-1 | |
|
Пределы допускаемой приведенной* погрешности измерений удельной электрической проводимости воздуха, % | |
|
Напряжение между электродами аспирационного измерительного конденсатора (АИК), В Измерительный канал X+ Измерительный канал X- |
плюс 60±0,1 минус 60±0,1 |
|
Скорость потока воздуха во входной трубе АИК, мс-1, не менее | |
|
Время установления рабочего режима при включении измерителя, мин, не более | |
|
Скорость линейного изменения напряжения встроенного генератора, В/с | |
|
Длительность полупериода нарастания или спада линейно изменяющегося напряжения встроенного генератора, с, не менее | |
|
Напряжение питания от сети переменного тока частотой (50±1) Гц, В | |
|
Потребляемая мощность, В А, не более | |
|
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм, не более |
500 х 400 х 300 300 х 220 х 80 |
|
Масса, кг, не более | |
|
Рабочие условия эксплуатации: Блок БПС температура окружающего воздуха, °С Блок БАИК температура окружающего воздуха, °С Относительная влажность воздуха, % Атмосферное давление, кПа |
от 15 до 25 от минус 50 до плюс 50 до 98 от 84 до 106,7 |
|
* Погрешность нормирована к верхнему пределу диапазона измерений |
|
Знак утверждения типа
наносится на боковую стенку измерителя в виде наклейки и на титульный лист руководства по эксплуатации и паспорта измерителя типографским способом.
Комплектность
Комплект поставки измерителей приведен в таблице 3.
|
Наименование |
Обозначение |
Количество, |
Примечание |
|
1 Измеритель удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М» в составе: | |||
|
1.1 Выносной блок | |||
|
1.2 Блок питания и сопряжения | |||
|
1.3 Шнур сетевого питания | |||
|
1.4 Сигнальный кабель | |||
|
2 Руководство по эксплуатации |
ИРШЯ.416312.001 РЭ | ||
|
3 Методика поверки | |||
|
4 Паспорт |
ИРШЯ.416312.001 ПС | ||
|
5 Оптический диск с программным обеспечением | |||
|
6 ЗИП: предохранитель | |||
|
7 Персональный компьютер (ноутбук) |
Минимальные системные требования: процессор Intel Pentium 4 CPU 2,4 GHz, ОЗУ 1,0 ГБ, HDD 250 ГБ, видеокарта ATI Radeon 9550, ОС Windows XP, Vista или Win7. |
||
|
8 Преобразователь интерфейсов RS485/USB | |||
|
9 Кабель интерфейсный COM DB9F-DB9M | |||
|
10 Полка с кожухом для установки выносного блока | |||
|
** - отмеченные позиции поставляются по дополнительному требованию заказчика и могут быть заменены на аналогичные. |
|||
Поверка
осуществляется по документу 651-15-42 МП «Инструкция. Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М». Методика поверки», утвержденному первым заместителем генерального Директора - заместителем по научной работе ФГУП «ВНИИФТРИ» 10 декабря 2015 г.
Перечень эталонов, применяемых при поверке:
Измеритель эталонный удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2Э», диапазон измерений полярной (положительной или отрицательной) удельной электрической проводимости воздуха от 5 до 40 фСм-м-1;
Измеритель комбинированный Testo 425 (Госреестр № 17273-11);
Вольтметр универсальный цифровой В7-34А (Госреестр № 7982-80);
Секундомер электронный Интеграл С-01 (Госреестр № 44154-10).
Знак поверки наносится на свидетельство о поверке в виде наклейки или оттиска поверительного клейма.
Сведения о методах измерений
Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М». Руководство по эксплуатации. ИРШЯ.416312.001 РЭ.
Нормативные и технические документы, устанавливающие требования к измерителям удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М»
Измерители удельной электрической проводимости воздуха «Электропроводность-2М». Технические условия. ИРШЯ.416312.001 ТУ.
Добрый день!
Подскажите, существует ли какой либо теореточеский метод определения проводимости воды с растворенными в ней соединениями, если известна исходная проводимость воды и точное количественное содержание растворенных в воде соединений.
Заранее благодарю!
Точный расчет удельной электропроводности производят по специальным эмпирическим формулам с использованием откалиброванных растворов хлористого калия с заранее известной величиной УЭП. Измеренную величину принято отображать с использованием единицы измерения Сименс, 1 См обратен 1 Ом. Причем для соленой воды результаты исследований отображаются См/м, а пресной воды – в мкСм/метр, то есть в микросименсах. Измерение электропроводности водных растворов дает для дистиллированной воды величину УЭП от 2 до 5 мкСм/метр, для атмосферных осадков величину от 6 до 30 и более мкСм/метр, а для пресных речных и озерных вод в тех районах, где воздушная среда сильно загрязнена, величина УЭП может колебаться в пределах 20-80 мкСМ/см.
Для приблизительной оценки УЭП можно воспользоваться эмпирически найденным соотношением зависимости УЭП от содержания солей в воде (минерализация):
УЭП ( мкСм/cм ) = содержание солей (мг / л) / 0,65
То есть, для определения УЭП (мкСм/cм) показатель содержание солей (минерализацию воды) (мг/л) делят на поправочный коэффициент 0,65. Величина этого коэффициента колеблется в зависимости от типа вод в диапазоне 0,55-0,75. Растворы хлористого натрия проводят ток лучше: содержание NaCl (мг/л) = 0,53 мкСм/cм или 1 мг/л NaCl обеспечивает электропроводность в 1,9 мкСм/cм.
Для ориентировочного расчета УЭП по содержанию солей в воде (минерализации) можно воспользоваться следующим графиком (рис. 1):
Рис. 1. График зависимости УЭП от содержания в воде солей (минерализации).
УЭП также измеряется при помощи специального прибора – кондуктометра, состоящего из платиновых или стальных электродов, погружаемых в воду, через которые пропускается переменный ток частотой от 50 Гц (в маломинерализованной воде) до 2000 Гц и более (в соленой воде), путем измерения электрического сопротивления.
Принцип действия кондуктометра основан на прямой зависимости электроводности воды (силы тока в постоянном электрическом поле, создаваемом электродами прибора) от количества растворенных в воде соединений. Широкий спектр соответствующего оборудования позволяет сейчас измерять проводимость практически любой воды, от сверхчистой (очень низкая проводимость) до насыщенной химическими соединениями (высокая проводимость).
Кондуктометр можно приобрести даже в зоомагазинах, при этом возможны комбинации такого прибора с рН метром. Кроме того, такой прибор можно приобрести в конторах и фирмах, торгующих оборудованием для экологических исследований www.tdsmeter.ru/com100.html.
Умельцы, хорошо владеющие паяльником, могут сами изготовить прибор для измерения электропроводности конструкции И.И.Ванюшина. (журнал "Рыбное хозяйство", 1990 г., №5, стр. 66-67. Кроме того, во всех деталях это устройство и способы его калибровки описаны в очень полезной книге "Современный аквариум и химия", авторы И.Г.Хомченко, А.В.Трифонов, Б.Н.Разуваев, Москва, 1997 г). Прибор сделан на распространенной микросхеме К157УД2, которая представляет собой два операционных усилителя. На первом собран генератор переменного тока, на втором – усилитель по стандартной схеме, с которого снимаются показания цифровым или аналоговым вольтметром (рис. 2).
Рис. 2. Самодельный кондуктометр.
Для исключения влияния температуры измерения эоектропроводности производятся при постоянной температуре 20 0 С, поскольку значение электропроводности и результат измерений зависят от температуры, как только температура повышается хотя бы на 1 0 С, измеряемая величина электропроводности тоже увеличивается приблизительно на 2 %. Чаще всего ее пересчитывают по отношению к 20 0 С по корректировочной таблице, либо приводятся к ней с использованием эмпирических формул.
Корректировочная таблица для расчета УЭП.
Температура, °С | Поправочный коэффициент | Температура, °С | Поправочный коэффициент | Температура, °С | Поправочный коэффициент |
Расчет удельной электропроводности воды в данном случае производится по формуле:
УЭП = C п / R
где C п - емкость датчика прибора, зависящий от материала и размеров электродов и имеющий размерность см-1, определяется при тарировке прибора по растворам хлористого калия с известной величиной удельной электропроводности; K - температурный коэффициент для приведения измеренной величины при любой температуре к принятому постоянному ее значению; R - измеренное электрическое сопротивление воды прибором, в Омах.
Прибор необходимо отградуировать в значениях сопротивления. Для градуировки можно рекомендовать следующие сопротивления: 1 кОм (электропроводность 1000 мкСм), 4 кОм (250 мкСм), 10 кОм (100 мкСм).
Для того, чтобы точнее определить удельную электропроводность, нужно знать постоянную сосуда для измерения СX. Для этого необходимо приготовить 0,01 М раствора хлорида калия (KCl) и измерить его электросопротивление R KCl , (в кОм) в приготовленной ячейке. Емкость сосуда определяется по формуле:
C п = R KC УЭП KCl
где УЭП KC - удельная электропроводность 0,01М раствора KCl при данной температуре в мкСм/см, найденная по корректировочной таблице.
Расчет УЭП после этого производится по формуле:
УЭП = C п {K Т } / R
где C п - емкость датчика прибора, зависящий от материала и размеров электродов и имеющий размерность см -1 , определяется при калибровке прибора по растворам хлористого калия с известной величиной УЭП; K т - температурный коэффициент для приведения измеренной величины при любой температуре к принятому постоянному ее значению; R - измеренное электрическое сопротивление воды прибором, в Омах.
УЭП соленой воды принято выражать в См/м (См - Сименс, величина, обратная Ому), пресной воды - в микросименсах (мкСм/см). УЭП дистиллированной воды равна 2-5 мкСм/см, атмосферных осадков - от 6 до 30 мкСм/см и более, в районах с сильно загрязненной воздушной средой, речных и пресных озерных вод 20-800 мкСм/см.
Нормируемые величины минерализации приблизительно соответствуют удельной электропроводности 2 мСм/см (1000 мг/дм 3) и 3 мСм/см (1500 мг/дм 3) в случае как хлоридной (в пересчете на NaCl), так и карбонатной (в пересчете на CaCO 3). минерализации.
Чистая вода в результате ее собственной диссоциации имеет удельную электрическую проводимость при 25 С равную 5,483 мкСм/м.
Более подробно о методах расчета УЭП смотрите в соответствующих разделах нашего сайта.
К.х.н. О.В. Мосин
Ниже приводятся методические по расчету общей минерализации, ионной силы, жесткости и определения содержания сульфат-ионов в природных и сточных водах по величине удельной электропроводности как обобщенного показателя их качества.
Определение электропроводности (L) воды сводится к измерению обратной ее величины - сопротивления (R), которое вода оказывает приходящему через нее току. Таким образом, L= 1:R, и поэтому величина электропроводности выражается в обратных Омах, а по современной классификации СИ - в Сименсах (См).
Величина удельной электропроводности сохраняется неизменной в пределах допускаемой погрешности (10%) при наличии в природных и сточных водах различных по природе органических соединений (до 150 мг/дм) и взвешенных веществ (до 500 мг/дм3).
Для измерения удельной электропроводности (кси) могут быть использованы любые кондуктометры с диапазоном от 1*10(-6) См/см до 10*10(-2) См/см.
1. ПОЛУЧЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЫ
1.1. НОРМАТИВЫ КАЧЕСТВА
В лабораториях по контролю качества природных и сточных вод дистиллированная вода является основным растворителем для приготовления реактивов, разбавителем исследуемых проб, экстрагентом, а также используется для ополаскивания лабораторной посуды. Поэтому для успешной работы любой химико-аналитической лаборатории наряду с выполнением таких условий, как высокая квалификация специалистов, наличие точных поверенных приборов, использование реактивов требуемой степени чистоты, стандартных образцов и стандартной мерной посуды, большое внимание должно быть уделено качеству дистиллированной воды , которая по своим физико-химическим показателям должна соответствовать требованиям ГОСТ 670972 (см. таблицу).
НОРМАТИВЫ
КАЧЕСТВА ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЫ ПО
рН ¦ 5,4-6,6 ¦
Вещества, восстанавливающие КМnО4 ¦ 0,08 ¦
Остаток после выпаривания ¦ 5,0 ¦
Остаток после прокаливания ¦ 1,0 ¦
Аммиак и соли аммония ¦ 0,02 ¦
Нитраты ¦ 0,20 ¦
Сульфаты ¦ 0,50 ¦
Хлориды ¦ 0,02 ¦
Алюминий ¦ 0,05 ¦
Железо ¦ 0,05 ¦
Кальций ¦ 0,80 ¦
Медь ¦ 0,02 ¦
Свинец ¦ 0,05 ¦
Цинк ¦ 0,20 ¦
Удельная электропроводность при 20 град. С не более 5*10(-6) См/см
Если все показатели соответствуют установленным нормам, то дистиллированная вода пригодна для использования в лабораторных исследованиях, и ее качество не повлияет на метрологические характеристики выполняемых в лаборатории анализов. Нормативы периодичности проведения контроля качества дистиллированной воды не установлены.
1.2. ПОЛУЧЕНИЕ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
Дистиллированную воду получают в дистилляторах различных марок. Дистиллятор устанавливают в отдельном помещении, воздух которого не должен содержать вещества, легко поглощаемые водой (пары аммиака, соляной кислоты и др.). При первоначальном пуске или при пуске дистиллятора после длительной консервации пользование дистиллированной водой разрешается только после 40 часов работы дистиллятора и после проверки качества получаемой воды в соответствии с требованиями ГОСТ .
В зависимости от состава исходной воды может быть получена дистиллированная вода различного качества.
При высоком содержании в воде солей кальция и магния на поверхности нагревательных элементов, внутренних стенках парообразователя и холодильной камеры образуется накипь, в результате чего ухудшаются условия теплообмена, приводящие к снижению производительности и сокращению срока службы дистиллятора. В целях умягчения исходной воды и уменьшения образования накипи аппарат целесообразно эксплуатировать в комплексе с противонакипным магнитным устройством или химическим водоподготовителем (на основе ионообменных смол в натриевой форме), например марки КУ-2-8чс.
Вопрос о сроках проведения периодической профилактической промывки дистиллятора и очистки от накипи решается опытным путем, руководствуясь при этом данными о качестве дистиллированной воды при периодическом контроле . После очистки и промывки дистиллятора дистиллированная вода вновь анализируется по всем показателям согласно ГОСТ .
Все результаты анализов воды следует вносить в журнал, где одновременно необходимо отражать режим работы дистиллятора. Анализ полученных результатов позволит установить для каждой исходной воды свой режим работы аппарата: период эксплуатации, срок его отключения для проведения профилактической чистки, мойки, промывки и т.д.
Если в качестве исходной воды используется вода с высоким содержанием органических веществ, то часть их может перейти с отгоном в дистиллят и повысить контрольную величину окисляемости. Поэтому ГОСТ предусматривает определение содержания органических веществ, восстанавливающих марганцовокислый калий.
Для освобождения перегоняемой воды от органических примесей и улучшения качества дистиллята рекомендуется использовать химические водоподготовители с гранулированным сорбентом из березового активированного угля или с макропористым гранулированным анионитом марки АВ-17-10П.
При обнаружении в дистиллированной воде веществ, восстанавливающих перманганат калия в концентрации более 0,08 мг/дм необходимо провести вторичную перегонку дистиллята с добавлением в него перед отгоном раствора 1% КМnО4, из расчета 2.5 см.куб на 1 дм воды. Общая затрата времени на контроль качества дистиллированной воды по всем 14 показателям, указанным в таблице, составляет 11 часов рабочего времени аналитика (65 лабораторных единиц ). Определение удельной электропроводности воды выгодно отличается по временным затратам от традиционного химического анализа при определении отдельных показателей, т.к. затрата времени на ее определение составляет не более 1 лабораторной единицы (10 минут) и рекомендуется как экспресс - метод при контроле качества дистиллированной воды.
По величине удельной электропроводности можно обобщенно охарактеризовать всю сумму составляющих остаточного количества минеральных веществ (в том числе нитраты, сульфаты, хлориды, алюминий, железо, медь, аммиак, кальций, цинк, свинец).
При необходимости получения экспрессных сведений о содержании в воде сульфат-ионов последнее может быть рассчитано по величине удельной электропроводности и содержанию гидрокарбонати хлорид-ионов (см. раздел 2).
Согласно ГОСТ результат намерения величины дистиллированной воды выражается при 20 град. С
1.3. УСЛОВИЯ ХРАНЕНИЯ
Дистиллированная вода для лабораторных исследований должна быть свежеперегнанной. При необходимости воду можно хранить в герметически закрытых полиэтиленовых или фторопластовых бутылях. Для предотвращения поглощения из воздуха углекислоты бутыли с дистиллированной водой должны быть закрыты пробками с хлоркальциевыми трубками. Безаммиачная вода хранится в бутыли, закрытой пробкой с "гуськом", содержащим раствор серной кислоты.
3. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОБЩЕЙ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ВОДЫ
3.1. ПРИРОДНЫЕ ВОДЫ
Одним из наиболее важных показателей качества воды является величина общей минерализации, обычно определяемая гравиметрически по сухому остатку. Используя данные химического анализа о содержании хлорид-, гидрокарбонати сульфат-ионов, с помощью переводных множителей можно рассчитать величину общей минерализации (М, мг/дм.куб.) исследуемой воды по формуле (2) :
М=[НСО(3-)*80+[Сl-]-55+*67
где [НСО(3-)], [Сl], - концентрации гидрокарбонат-, хлорид-, сульфат-ионов в мг-экв/дм.куб. соответственно. Численные множители приблизительно отвечают среднеарифметическим значениям молярных масс эквивалентов солей соответствующего аниона с кальцием, магнием, натрием и калием.
3. СПОСОБ ОЦЕНКИ ИОННОЙ СИЛЫ ВОДНОГО РАСТВОРА
В практике гидрохимических исследований величина ионной силы воды используется при контроле ионного состава воды с помощью ионселективных электродов, а также при экспрессном расчете общей жесткости.
Расчет ионной силы (мю) природных и сточных вод производится по результатам двукратного измерения величины удельной электропроводности воды: неразбавленной (кси1) и разбавленной в соотношении 1:1 (кси2).
Вычисление ионной силы производится по формуле (4) :
(мю)=К*См10 (4)
Где См - общая минерализация воды, рассчитанная по величине удельной электропроводности как а * 10(4) и выраженная в мг-экв/дм.куб;
К - ионный показатель, устанавливаемый с помощью корректировочной таблицы по величинам См и кси2/кси1.
Рассчитанные данным способом значения (мю) природных и сточных вод (даже содержащих большое количество взвешенных частиц) согласуются с величинами (мю), определенными по данным химического анализа содержания главных ионов; расхождение результатов двух способов не превышает 10%, что согласуется с допускаемыми нормативами воспроизводимости.
Данный экспрессный способ определения ионной силы природных и сточных вод более экономичен и имеет преимущество при контроле мутных и окрашенных вод.
4. СПОСОБ ОЦЕНКИ ОБЩЕЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ
Смещая жесткость является одним из важнейших групповых показателей качества воды для всех типов водопользования. Общепринятое комплекснометрическое определение жесткости имеет существенное ограничение и не может быть использовано при анализе мутных и окрашенных вод, а также при значительном содержании ряда металлов. Такие воды при определении общей жесткости должны подвергаться специальной обработке , что сопряжено с увеличением расхода химических реактивов и дополнительными затратами рабочего времени на проведение анализа.
Ускоренный способ оценки ориентировочной величины общей жесткости (Ж общ.) основан на данных, получаемых по результатам измерения электропроводности. Расчет производят по формуле (5) %
Ж общ.= 2(мю) * 10(3) - (2См + SO4(2-)]) (5)
где (мю) - величина ионной силы воды (расчет по данным электропроводности, см. раздел 4); См - общая минерализация, мг-экв/дм.куб. (расчет по данным электропроводности, см. раздел 4); - концентрация сульфат-ионов, мг-экв/дм.куб. (расчет по данным электропроводности, см. раздел 2, или другого метода). Погрешность определения жесткости данным способом находится в пределах допустимых норм (5% ). Способ рекомендуется как ускоренный для оценки общей жесткости в условиях массового анализа проб в системе экологического мониторинга, особенно в случае мутных, окрашенных вод и вод, сильно загрязненных ионами ряда тяжелых металлов.
ЛИТЕРАТУРА
ГОСТ 6709-72 "Вода дистиллированная".
Указания по организации и структуре лабораторного контроля в системе Минжилкомхоза РСФСР. М. 1986.
Воробьев И.И. Применение измерения электропроводности для характеристики химического состава природных вод. М., Изд-во АН СССР, 1963-141 с.
Почкин Ю.Н. Определение электропроводности воды при изучении солевого режима открытых водоемов // Гигиена и санитария. 1967, N 5.
ГОСТ 17403-72. Гидрохимия. Основные понятия. Термины и определения.
Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М., Химия, 1984.-447 с.
РД 52.24.58-88. Методика выполнения измерений содержания сульфат-ионов титриметрическим методом с солью бария.
РД 52.24.53-88. Методика выполнения измерении содержания сульфат-ионов с солью свинца.
ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерения показателен состава и свойств.
ГОСТ 26449.1-85. Установки дистилляционные опреснительные стационарные. Методы химического анализа соленых вод.
Информационный листок N 29-83. Определение содержания котловой воды. ЦНТИ, Архангельск. 1983.
Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Л., Гидрометеоиздат. 1977. - 537 с.
Ускоренное установление общей минерализации, общей жесткости, ионной силы, содержания сульфат-ионов и свободной СО2 по удельной электропроводности. Казань. ГИДУВ. 1989. - 20 с.
Применяется для измерения удельной электропроводности изделий из неферромагнитных металлов и их сплавов. Прибор сделан в России, внесен в госреестр РФ (описание типа средства измерения). Гарантия - 1 год. Малые габариты прибора, а также возможность быстрого определения электропроводности позволяют использовать прибор для следующих целей:
- приемка деталей у поставщиков с определением соответствия марки материала изделий даже под лакокрасочным покрытием;
- оперативная сортировка заготовок по маркам материалов, используя соответствующие таблицы значений электропроводности различных алюминиевых сплавов, бронзы, медных сплавов, титановых сплавов и так далее;
- определение соответствия марок материалов различных деталей требуемым маркам по нормативной документации при инспекции изделий и объектов;
- контроль за техпроцессом закалки материалов (алюминиевые и другие сплавы). По таблицам соответствия степени закалки и электропроводности данной марки материала можно однозначно определить, что деталь недокалена или перекалена;
- определение изменения прочностных свойств деталей изделия в результате термоудара с помощью определения изменения электропроводности материала детали.
Из отличительных особенностей измерителя электропроводности Константа К6 можно выделить следующие:
- работа во всем рабочем диапазоне одним преобразователем ФД2 (ПФ-ИЭ-6э);
- отстройка от влияния зазора между преобразователем и объектом контроля позволяет измерять электропроводность через лакокрасочные покрытия переменной толщины;
- малые габариты, удобство и простота в работе;
- широкий набор преобразователей позволяет решать большинство задач измерения электропроводности;
- возможность сохранения результатов контроля в памяти прибора с последующей передачей в ПК по каналу USB для хранения, статистической обработки и документирования с использованием программы Constanta-Data.
Технические характеристики заявленные производителем измерителя электропроводности Константа К6 приведены в таблице >
| Характеристика | Показатель |
| Диапазон измерения электропроводности, σ, МСм/м* | 0,005 ÷ 59 |
| Диаметр зоны контроля преобразователя, мм | 4-6 |
| Индикация | матричный LCD индикатор с отображением сигнала и порога срабатывания сигнализации |
| Число ячеек памяти результатов контроля | 999 с возможностью разбивки на 99 групп |
| Питание: аккумуляторы или батареи Alkaline, тип ААА | 2 шт. |
| Время непрерывной работы, ч | 50 |
| Диапазон рабочих температур | -20...+50°С |
| Габаритные размеры электронного блока, мм | 120х60х25 |
| Масса, г | 150 |
* Метрологические характеристики измерителя электропроводности Константа К6 определяются типом подключенного преобразователя.
Технические характеристики преобразователей для измерителя электропроводности Константа К6 приведены в следующей таблице
| Тип | Назначение | Диапазон измерения электропроводности σ, МСм/м | Предел основной относительной погрешности измерения,% | Диапазон отстройки от зазора, мм | Минимальная толщина объекта контроля, мм | Диаметр зоны контроля, мм | Частота типа возбуждения, кГц |
| ФД2 (ПФ-ИЭ-6э) | Универсальный преобразователь. Диапазон измерения перекрывает все возможные электропроводности металлов и сплавов. Отстройка от зазора оптимизирована для работы по алюминиевым сплавам. Экранированный чувствительный элемент с диаметром зоны контроля 6 мм. | 0,5-59 | 3* | 0-0,2 | 1-5 | 6 | 20 |
| ПФ-ИЭАв-6э | 7-40 | 3 | 0-0,2 | 0,6-1,5 | 6 | 60 | |
| ПФ-ИЭ-6э-Ti | Специализированный преобразователь. Преобразователь предназначен для применения в авиационной промышленности. Повышенная частота возбуждения вихревых токов позволяет проводить контроль тонких листовых материалов из алюминиевых сплавов. | 0,5-5 | 3 | 0-0,2 | 1-2,3 | 6 | 170 |
| ПФ-ИЭ-6э-Br | 2-16 | 3 | 0-0,2 | 0,9-2,0 | 6 | 60 | |
| ПФ-ИЭ-6э-Cu | 25-59 | 3 | 0-0,2 | 1,5-2,0 | 6 | 7 | |
| ПФ-ИЭ-4-Ti | Преобразователь для контроля малоразмерных и тонких изделий. Чувствительный элемент в виде конуса позволяет измерять электропроводность на изделиях сложной формы. Диаметр зоны контроля 4 мм. Снабжены сменным защитным колпачком. | 0,5-5 | 2 | 0-0,1 | 0,3-1,0 | 4 | 1800 |
| ПФ-ИЭ-4-Br | 2-16 | 2 | 0-0,1 | 0,3-0,8 | 4 | 1200 | |
| ПФ-ИЭ-4-Al | 7-40 | 2 | 0-0,1 | 0,3-0,8 | 4 | 480 | |
| ПФ-ИЭ-4-Cu | 25-59 | 2 | 0-0,1 | 0,5-0,8 | 4 | 120 | |
| ПФ-ИЭ-30-У1 | Преобразователь для контроля углей и углеграфитов, предназначен для измерения удельной электропроводности или удельного электрического сопротивления углеграфитовых материалов (УГМ) с грубой поверхностью, неоднородной и пористой структурой, для сортировки углей, углеграфитов, ниппелей, электродов и их огарков. | 0,01-1 | 10** | 0-0,5 | 15 | 30 | 70 |
| ПФ-ИЭ-18э-У2 | Преобразователь для контроля углепластиков и углерод- углеродных композиционных материалов, предназначен для измерения удельной электропроводности нетканых и тканых углеродных композиционных материалов со связующим из полимерных смол, а так же с углеродным связующим. | 0,005-0,1 | 10*** | 0-0,5 | 4 | 18 | 3700 |
* - 3% в диапазоне от 5 до 59 МСм/м, 7% в диапазоне от 0,5 до 5 МСм/м
** – 10% в диапазоне от 0,1 до 1 МСм/м, 15% в диапазоне от 0,01 до 0,1 МСм/м
*** – 10% в диапазоне от 0,005 до 0,02 МСм/м, 15% в диапазоне от 0,02 до 0,1 МСм/м
Комплект поставки измерителя электропроводности Константа К6
- электронный блок с одним преобразователем на выбор,
- сменные защитные колпачки (если они предусмотрены конструкцией),
- аккумуляторы ААА (4 шт.),
- зарядное устройство,
- кабель связи с ПК по интерфейсу USB,
- компакт-диск с драйверами и программой Constanta-Data,
- руководство по эксплуатации,
- методика поверки,
- кейс для хранения и транспортировки.
В качестве тестовых эталонов измеритель электропроводности Константа К6 может комплектоваться образцами удельной электрической проводимости CO-220 или CO-230. Комплекты мер предназначены для поверки и калибровки измерителей удельной электрической проводимости цветных металлов и сплавов.
| Номинальное значение удельной электропроводности σ | Комплект образцов титановой группы | Комплект образцов бронзовой группы | Комплект образцов алюминиевой группы | Комплект образцов медной группы |
| Фото образцов | ||||
| Образец №1 | 0,5 МСм/м | 3,5 МСм/м | 14 МСм/м | 40 МСм/м |
| Образец №2 | 1 МСм/м | 5 МСм/м | 17 МСм/м | 50 МСм/м |
| Образец №3 | 2 МСм/м | 10 МСм/м | 24 МСм/м | 58 МСм/м |
| Толщина образцов электропроводности | 6 мм | |||
| Диаметр образцов электропроводности | 24 мм | |||
| Шероховатость поверхности образцов электропроводности | Не более Ra 1,6 мкм | |||
| Габаритные размеры комплекта образцов | 130 х 48 х 9 мм | |||
Измеритель электропроводности Константа К6 можно купить с доставкой до двери или до терминалов транспортной компании в следующих городах: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Саратов. Амурск, Ангарск, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Бийск, Брянск, Воронеж, Великий Новгород, Владивосток, Владикавказ, Владимир, Волгоград, Волгодонск, Вологда, Иваново, Ижевск, Йошкар-Ола, Казань, Калининград, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курск, Липецк, Магадан, Магнитогорск, Мурманск, Муром, Набережные Челны, Нальчик, Новокузнецк, Нарьян-Мар, Новороссийск, Новосибирск, Нефтекамск, Нефтеюганск, Новочеркасск, Нижнекамск, Норильск, Нижний Новгород, Обнинск, Омск, Орёл, Оренбург, Оха, Пенза, Пермь, Петрозаводск, Петропавловск-Камчатский, Псков, Ржев, Ростов, Рязань, Самара, Саранск, Смоленск, Сочи, Сыктывкар, Таганрог, Тамбов, Тверь, Тобольск, Тольятти, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Ханты-Мансийск, Чебоксары, Челябинск, Череповец, Элиста, Ярославль и другие города, кроме того, в Республике Крым. А также Республики Казахстан, Белоруссия и другие страны СНГ.