Wyznaczanie własności
fizykochemicznych
cieczy newtonowskich
Wyznaczanie własności
fizykochemicznych
cieczy newtonowskich
Pomiary pH
Stężenie jonów wodorowych lub wodorotlenowych roztworu jest istotnym
parametrem jakościowym i ilościowym informującym o przebiegu wielu
procesów technologicznych. W celu określenia stężenia jonów wodorowych
stosuje się wskaźnik pH
H
C
pH
log
gdzie: C
H+
- stężenie jonów wodorowych [mol/l]
Schemat skali pH
W pomiarach pH wykorzystuje się zależność potencjału elektrody
pomiarowej od pH badanego roztworu.
Zależność ta określona jest wzorem
0
0
0
log
log
1
ln
E
pH
E
E
C
e
nF
RT
E
C
nF
RT
E
x
N
x
H
x
H
gdzie:
E – potencjał elektrody pomiarowej zanurzonej w
roztworze
R – stała gazowa
F – stała Faradaya
n – wartościowość jonów
C
H+
- wartość stężenia jonów wodorowych [mol/l] w
badanym
roztworze
E
0
– potencjał normalny elektrody
Schemat ogniwa pomiarowego do wyznaczania pH, gdzie: 1 – elektroda
pomiarowa,
2 – elektroda odniesienia, 3 – klucz elektrolityczny, 4 – roztwór
badany
Potencjał elektrody pomiarowej
)
(
3
1
4
3
2
1
e
x
N
x
pH
pH
E
E
E
E
E
E
E
E
Różnica potencjałów między elektrodą pomiarową i odniesienia
)
(
3
1
e
x
N
k
x
k
pH
pH
E
E
E
E
E
E
E
Budowa elektrod do wyznaczania pH
a) szklanej, b) kalomelowej
Elektroda szklana:
1 – membrana szklana
2 – roztwór wewnętrzny
3 – rurka
4 – elektroda wyprowadzająca
Elektroda kalomelowa:
1 – drut platynowy
2 – rtęć
3 – pasta kalomelowa
4 – roztwór KCL
5 – klucz elektrolityczny
Schemat zastępczy ogniwa pomiarowego:
E
1
– potencjał elektrody wyprowadzającej, E
2
– potencjał między
roztworem wewnętrznym elektrody szklanej a membraną, E
3
–
potencjał asymetrii membrany szklanej, E
4
– potencjał między
membraną a badanym roztworem, E
5
– potencjał elektrody
odniesienia, E
6
– potencjał klucza elektrolitycznego, R
p
– rezystancja
elektrody pomiarowej, R
0
– rezystancja elektrody porównawczej, R
kl
–
rezystancja klucza elektrolitycznego
Charakterystyka
ogniwa pomiarowego:
t
1
< t
2
< t
3
Zależność wartości pH od temperatury
dla kilku roztworów wzorcowych:
1 – 1,68 pH; 2 – 4,6 pH; 3 – 9,22 pH;
4 – 12,63 pH
Przykład błędu alkalicznego
(wynika-jącego z obecności jonów
Na, Li, K, Ca) dla elektrody ze
szkła sodowego dla 25
o
C (l.ciągła)
i 50
o
C (l.przerywana)
Przyrząd ten powinien spełniać następujące wymagania:
- rozdzielczość 1-10mV (w zależności od przeznaczenia pH-metru
, przy
zakresie 0 - 1400 mV)
- wysoka rezystancja wejściowa – R
we
> 10
11
(z uwagi na dużą
rezystancję elektrody szklanej)
- regulowana czułość (do kompensacji zmian czułości elektrody
pomiar.)
- zmiana punktu zerowego (umożliwia współpracę pH-metru z
różnymi
zestawami elektrod i pozwala na kompensację potencjału
asymetrii)
- kompensacja wpływu temperatury na parametry ogniwa
pomiarowego
- odporność na zakłócenia zewnętrzne
Różnica potencjałów mierzona jest pH-metrem czyli
miliwoltomierzem
wyskalowanym w jednostkach pH.
Uproszczony schemat
strukturalny pH-metru
Uziemienie dopływu i odpływu
dla ochrony elektrod przed
wpływem prądów błądzących
Zespół elektrod przemysłowych
do pomiaru pH: a) do
wbudowania,
b) do zanurzania
Pomiary gęstości płynów
Gęstość
jest to stosunek masy
m
do
objętości
V
ciała jednorodnego (lub
niejednorodnego np. ziarnistego)
V
m
Gęstość masy można również
wyrazić siłą
ciążenia G określając (przy
założeniu
normalnego przyspieszenia
ziemskiego)
ciężar właściwy
jako
V
G
Do pomiaru gęstości cieczy stosuje się najczęściej pośredni
pomiar ciężaru właściwego poprzez:
a) pomiar ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy
b) pomiar siły wyporu ciała zanurzonego w cieczy
c) ważenie odmierzonej objętości cieczy
Metody polegające na pomiarze ciężaru właściwego często
realizuje się jako porównawcze co pozwala na wyeliminowanie
wpływu temperatury.
Bezpośrednią wartość gęstości można też wyznaczyć np. poprzez
- pomiar pochłaniania promieniowania izotopowego
- pomiar częstości drgań
Przykłady metod pomiaru gęstości cieczy
a) pomiar pneumatyczny bezpośredni, b) pomiar
pneumatyczny porównawczy, c) pomiar hydrauliczny
porównawczy
Pomiar gęstości poprzez wyznaczanie ciśnienia hydrostatycznego
Pomiar gęstości poprzez pomiar siły wyporu
ciała zanurzonego w cieczy
a) pływak obciążony łańcuchem, b) układ pneumatyczny z
równowagą sił,
c) waga różnicowa,
1 – uzwojenie zasilające przetwornik indukcyjnościowy transformatorowy,
2 – uzwojenie wtórne, 3 - dyszka
Pomiar gęstości przez ważenie
a) ważenie cieczy zawartej w U-rurce z zastosowaniem równoważenia
pneumatycznego, b) ważenie różnicowe,
1 – U-rurka z przepływającą cieczą badaną, 2 – giętkie połączenie,
3 – pneumatyczny układ równoważenia sił, 4 – naczynie z cieczą badaną,
5 – naczynie z cieczą porównawczą, 6 – układ dźwigniowy do równoważenia sił
k
f
f
1
1
0
f
0
- częstotliwość
drgań
cylindra dla
gęstości
odniesienia
k
- stała
Metoda bezpośrednia wyznaczania gęstości poprzez pomiar
częstotliwości drgań cienkościennego cylindra stalowego
zanurzonego w cieczy
1 – generator, 2 – cewka pobudzająca do drgań, 3 – cewka
sterująca,
4 – wzmacniacz i układ kształtujący, 5 – układ liczący
Pomiar gęstości gazu
(pod wysokim
ciśnieniem)
gęstościomierzem z
drgającymi widełkami:
1 – generator,
2 – obudowa (rurociąg),
3 – cewki wzbudzające,
4 – cewki
sterujące
Zależność częstotliwości drgań widełek od gęstości
a) względna zmiana częstotliwości, b) zmiana bezwzględna,
c) różnica częstotliwości porównawczej i widełek
Częstotliwość widełek
f
modulowana częstotliwością porównawczą
f
p
daje w wyniku
f
f
f
f
f
f
p
p
2
1
Gęstościomierz z
porównawczym pomiarem
częstotliwości
1 – modulator, 2 – generator
częstotliwości wzorcowej, 3 – filtr
dolnoprzepustowy, 4 – miernik
częstotliwości
f
1
należy odfiltrować i dobrać
f
p
=
f
min
wówczas
f
2
zależy
liniowo od
Musi być przy tym spełniony warunek
max
min
min
max
f
f
f
f
p
p
min
max
min
min
min
max
f
f
f
p
czyli
a więc dla dowolnej wartości
w granicach
min
...
max
c
f
f
f
min
max
min
max
2
gdzie c = const
Pomiary lepkości płynów
Lepkość jest przyczyną tarcia wewnętrznego płynów.
Lepkość
dla płynów niutonowskich spełnia zależność
dx
dw
gdzie:
- styczne naprężenie ścinające, działające między dwoma
płaszczyznami równoległymi do kierunku ruchu
dw
/
dx - gradient prędkości w kierunku
x
prostopadłym do
płaszczyzn
Płyny niutonowskie to ciecze i gazy jednorodne o niewielkich
cząsteczkach. Lepkość takich płynów nie zależy od gradientu
prędkości
Charakterystyka cieczy
niutonowskich i nie-
niutonowskich:
1
-
ciecz niutonowska, 2
-
guma do
żucia,
3
-
ter, 4
-
majonez, 5
-
papka
papiernicza,
6 - krochmal
Do pomiaru lepkości
wiskozymetrem kapilarnym wykorzystuje się
zjawisko spadku ciśnienia
p
płynu przy przepływie laminarnym
przez mały przekrój okrągły
o
średnicy
r
na
długości
L
przy
objętościowym
natężeniu przepływu
.
4
2
1
8
r
L
p
p
Spadki ciśnienia w
kapilarze
Laboratoryjny wiskozymetr
kapilarny
1,2 – zbiorniczki, 3,4 - znaczniki
Wiskozymetry przemysłowe
Schematy przemysłowych wiskozymetrów kapilarnych: a) z
popmą, b) z regulatorem; 1 – pompa, 2 – kapilara, 3 –
przetwornik różnicy ciśnień, 4 – reulator v = const
Schematy wiskozymetrów z wirującym cylindrem;
1 – silnik synchroniczny, 2 – przekładnia, 3 – przetwornik do pomiaru
momentu, 4 – sprzęgło magnetyczne, 5 – cylinder wirujący, 6 -
termostat
Schemat działania
wiskozymetru wibracyjnego;
1 – wibrujący języczek,
2 – wibrator
magnetostrykcyjny,
3 – cewka wyjściowa,
4,5 – sygnały,
D – dyskryminator amplitudy
Pomiar mętności cieczy
W wodzie i ściekach występują różne nierozpuszczalne substancje
o cząstkach różnej wielkości. Ciecz z cząstkami 1-100nm nazywa
się układem koloidalnym, a dla cząstek powyżej 100nm –
zawiesiną. Obecność cząstek nierozpuszczalnych objawia się w
postaci zmniejszenia przezroczystości (mętnością) cieczy.
Metoda nefelometryczna pomiaru
mętności
Schemat konstrukcyjny
mętnościomierza
Wyznaczanie potencjału redoks
Stopień utlenienia pierwiastka zmienia się podczas reakcji
utleniania i redukcji (w ramach których następuje przeniesienie
elektronów).
Jeżeli cząsteczka (lub atom) oddaje elektrony, to znaczy, że
ulega UTLENIANIU i że sama jest reduktorem. Jeżeli zaś
przyjmuje elektrony, to ulega REDUKCJI i jest utleniaczem.
Reakcje te są ze sobą sprzężone (elektron przyjęty musi być
przedtem uwolniony) i stąd wynika nazwa „red-ox” (reduction-
oxidation).
Miarą zdolności utleniających lub redukujących jest układu
jonów jest zawartych w roztworze jest jego potencjał redoks.
Wg definicji potencjał redoks danego układu jest
potencjałem jaki wykazuje elektroda z metalu
szlachetnego (np. z platyny) zanurzona w roztworze
zawierającym ten układ w odniesieniu do elektrody
wodorowej.
Schemat laboratoryjnego zestawu
pomiarowego
do wyznaczania potencjału redoks
Sekwencja procesów redoks w układach mikrobiologicznych
Przykład przebiegu zmian potencjału redoks, stężenia
utleniacza (TR) i fosforu w procesie oczyszczania ścieków.