Статья: О возможности энергоэкономичного экспресс-анализа некоторых органических веществ

Институт Энергетики АНМ

Институт Химии АНМ,

ЦАМ АНМ

О возможности энергоэкономичного экспресс-анализа некоторых органических веществ

Анисимов В.К., Берзан В.П., Тыршу М.С., Постолатий В.М.

Лупашку Т.Г.,

Жеру И.И., Гареева С.Н., Митина Т.Ф.

Аннотация

водный этиловый спирт энергия

Исследованы вольтамперные характеристики различных водных растворов этилового спирта и многокомпонентных органических веществ- соков и вин. Выявлены три характерные зоны. Зона низких напряжений (0-3.5) В и малых токов, затухающих во времени. Зона линейной зависимости тока от приложенного напряжения (4-14) В и зона нелинейной зависимости электропроводности при напряжениях больше 15 В для данной конструкции измерительной ячейки. Линейный участок характеристик может быть использован при разработке методик экспресс анализа объемного содержания этилового спирта в растворе при низких затратах энергии. Установлено, что кратковременное воздействие электрического поля не приводит к видимым изменениям первоначальных показателей продукта.

Ключевые слова: экспресс-анализ, вольтамперные характеристики сков и вин.

Abstract

The volt - amperes characteristic of various water solutions of ethyl alcohol and multicomponent organic substances of juices and wines were investigated. Three characteristic zones are revealed. A zone of low voltage (0-3.5)V and small currents fading in time. The zone of linear dependence of a current on the application voltage (4-14)V and a zone of nonlinear dependence of electrical conductivity at voltage more then 15 V for the given design of a measuring cell. The linear parts of characteristics can be used to develop the techniques for express train analysis of the volumetric contents of ethyl alcohol in a solution at low expenses of energy. It is established that the short-term influence of an electric field does not result in seen changes of initial parameters of a product.

Keywords: snap, volt-ampere characteristic of juices and wines.

При определении содержания некоторых веществ в их водных растворах нередко используют энергоемкие методы, требующие значительных затрат расходных материалов. Например, для определения содержания спирта в водном растворе используют метод перегонки [1], причем требуется не менее 300г. исходного раствора и расхода значительного количества энергии. Снижение затрат энергии и повышении скорости получения требуемой информации представляется актуальной задачей, в частности при определении спиртосодержания в вине. В данной работе предпринята попытка обнаружить количественную связь между концентрацией некоторых веществ в дистиллированной воде и электрическими характеристиками их водных растворов.

Методика исследования.

Для измерения параметров растворов использовались измерительные ячейки с платиновыми электродами при их питании от регулируемого по напряжению источника постоянного тока. Корпус измерительной ячейки изготовлялся из электроизоляционного материала, допущенного для хранения пищевых продуктов существующими стандартами. Зона контакта платиновых электродов с проводниками внешней электрической цепи не имела непосредственного контакта с раствором и не смачивалась этим раствором. Объем раствора в ячейки составлял 50 - 100 см³ и измерения параметров проводились при температуре +16⁰С.

При исследовании растворов этилового спирта определялись вольт-амперные характеристики (ВАХ) при увеличении объемной концентрации спирта в растворе при добавлении заданных объемов спирта с объемной концентрацией 95% в первоначальный объем дистиллированной воды. Аналогичная процедура возможна и при разбавлении исходного раствора вещества порциями дистиллированной воды.

При исследовании проводимости водных растворов этилового спирта на первом шаге измерялась ВАХ дистиллированной воды в диапазоне изменения напряжения на электродах ячейки 2,5-15 В. На следующих шагах в ячейку добавлялись равные объемы этилового спирта (2 см³ и/или 5 см³) с объемной концентрацией 95% и для каждой добавки определяется ВАХ полученного раствора. При этом учитывалось изменение суммарного объема жидкости в ячейки на каждом шаге измерения. В качестве измеряемого информативного параметра использовалась величина тока через измерительную ячейку с раствором.

При исследовании проводимости веществ с кислотными свойствами (значение электрического тока) первоначальный объем разбавлялся равными объемными порциями дистиллированной воды. Этот подход использован при исследовании характеристик электропроводности растворов уксусной кислоты, соков, вина.

Результаты измерений

Измерялись ВАХ дистиллированной воды, растворов этилового спирта различной концентрации, уксусной кислоты, водки, пиво, красного и белого вина, соков ( яблочного, виноградного, морковного, томатного). ВАХ водки фабричного изготовления определялась при температуре Т=18⁰С. Результаты измерений приведены на рис.1-4 и в табл.1-3.

Рис.1. ВАХ растворов спирта в дистиллированной воде, где 1- дистиллированная вода; 2-раствор спирта 3,23%; 3- 11,8%; 4- 25,0%; 5- 36,84%

Рис.2.ВАХ многокомпонентных растворов: 1- морковный и томатный соки; 2-сухое красное вино; 3- яблочный сок; 4- сухое белое вино; 5- яблочно-виноградный сок; 6- пиво; 7- водка фабричного производства 40⁰; 8-вода водопроводная

Рис.3. Характер изменения силы тока измерительной ячейки с раствором спирта в дистиллированной воде в зависимости от объемной концентрации при напряжении на электродах 14,5 В

Рис.4. Характер изменения силы тока через раствор уксусной кислоты от объемной концентрации при ее разбавлении дистиллированной водой при напряжении на электродах 14,0 В

Измеренные значения силы тока через растворы спирта в дистиллированной воде и при разбавление уксусной кислоты дистиллированной водой при изменении их объемной концентрации приведены в таб. 1 и 2. Первоначальный объем 9% уксусной кислоты составлял 40 см³, и пошаговое его разбавление осуществлялась порциями объемом в 20 см³ дистиллированной воды. Измерение силы тока выполнялась при напряжении на ячейки равного 14,0 В и температуре раствора t= 16⁰С.

Таблица 1. Изменение силы тока через раствор спирта в дистиллированной воде при U=14,5 В

Таблица 2. Изменение силы тока через раствор уксусной кислоты в дистиллированной воде при U=14,0 В

Таблица 3 Электропроводность сложных растворов

Анализ результатов измерений

Сравнение результатов измерений показывает, что с повышением содержания спирта в дистиллированной воде величина тока уменьшается, а для раствора уксусной кислоты наоборот - увеличивается. Значения силы тока для растворов уксусной кислоты в десятки раз больше чем у дистиллированной воды, и при разбавлении первоначального объема 9% уксусной кислоты дистиллированной водой электропроводность раствора в пределе приближаются к значению электропроводности дистиллированной воды.

Характер зависимостей силы тока от объемной концентрации растворов является нелинейной функцией, причем с ростом объемной концентрации растворов значения производной этих функций с ростом концентрации уменьшаются, где - объемная концентрация раствора. При выполнении измерений ВАХ растворов были выявлены три характерные зоны: зона переходных токов при напряжениях на ячейки до 2,5- 3 В; зона в которой ВАХ являются линейными ( напряжения от ( 3-4)В до примерно 14 В) и зона в которой эти характеристики становятся нелинейными ( при напряжениях превышающие 15В при температуре раствора около 16⁰С). Спадание тока во времени в первой зоне обусловлена очевидно формированием локального объемного заряда в близи электродов, как следствие того что при этих напряжениях не происходит восстановления ионов до атомов. Во второй зоне растворы ведут себя как электролиты и электропроводность обусловлена свободными ионами, которые под действием внешнего электрического поля осуществляют транспортировку зарядов через толщу раствора. В третьей зоне начинаются процессы электролиза с появлением газа на поверхности электродов, нелинейный рост тока и увеличение потребления электроэнергии ячейкой. Увеличение электропотребления сопровождается и повышением температуры раствора в процессе измерения электропроводности, что также содействует увеличении неопределенности толкования результатов измерений при их использовании в целях экспресс контроля объемной концентрации исследуемого раствора. На основе изложенного можно рекомендовать в качестве рабочего диапазона для экспресс контроля объемной концентрации растворов, диапазон рабочих напряжений измерительной ячейки U=(4-14)В.

Отметим также следующую особенность, касающиеся исследуемых растворов. Для изготовления водки используют не дистиллированную воду, а воду, содержащую различные примеси и эти примеси значительно увеличивают величину тока. Так, для водки 40⁰ при t = 18⁰С и напряжении 13,5 V на ячейки, ток равен I = 36 мА. Повышение температуры до 36⁰С приводит к увеличению тока до 56 мА, что вообще свойственно растворам электролитов.

Вольт-амперные характеристики более сложных смесей- соков, вина, пива также имеют линейную зависимость, но их электропроводность выше, чем у раствора спирта в дистиллированной воде. По своим электрическим характеристикам спирт ближе к диэлектрикам. Сложные многокомпонентные растворы ближе по своим электрическим характеристикам к классическим электролитам.

Установленные зависимости электропроводности спиртосодержащих растворов могут использоваться для построения диагностических экспресс методик оценки качества этих веществ по данным измерения характеристик электропроводности ( рис. 3 и рис.4 ).

Применение измерений электрических характеристик для исследования веществ удобно тем, что оно требует меньше времени и энергии. Например, время проведения измерений величины тока при заданном напряжении практически не более 1 мин., причем расход электроэнергии при этом является незначительным.

Анализ энергетических затрат при использовании экспресс метода контроля по уровню электропроводности вещества

Исходя из среднего времени проведения одного измерения равного 1 мин. при напряжении U = 14 V , и тока в цепи I = 100 мА поручаем расход энергии на одно измерение: W = U I t = 14х0,1х60 = 84 Дж

Полученная оценочная величина энергии характерна для соков, а для растворов спирта затраты энергии при определении объемной концентрации значительно ниже этого уровня. Так , для спиртовых растворов значение тока в измерительной ячейки не превышает 2 мА, а следовательно затраты электрической энергии на выполнение одного измерения при заданных параметрах источника питания не будут превышать значение: W = 14*0,002*60 = =1,7 Дж.

Сопоставление используемых методик измерения содержания спирта и предлагаемой позволяет оценить энергоэффективность электрического метода контроля объемного содержания спирта в его водных растворах. Так, например, время измерения содержания спирта по методике [1] составляет около 40 мин. На основе справочных данных приведенных в [2] , расход тепловой энергии при этом методе измерений будет иметь значение, содержащее несколько составляющих. Эти составляющие включают нагрев массы жидкости 300г от 20 до 80⁰С, испарение спирта ( например, при 10% объемном содержании спирта в сухом вине это составит по массе порядка 30 г спирта). В итоге, на нагрев спиртосодержащего вещества и испарение 30 г. спирта необходимо потратить более 100 кДж тепловой энергии, причем доля на нагрев равна кДж и на испарение кДж

Сопоставление энергозатрат рассмотренных методов показывает, что даже полагая, что электрическая энергия в 10 раз дороже тепловой, электрический метод определения объемного содержания этилового спирта требует в 120 раз меньше затрат на энергию и в 40 раз меньше времени для получения результата. Проблема заключается в получении градуировочных кривых для контролируемых продуктов, содержащих спиртовую составляющую, и составлении экспресс методик измерения этого показателя.