RO129399A2

RO129399A2 - Procedeu şi aparat pentru determinarea apei

Info

Publication number: RO129399A2
Application number: ROA201200694A
Authority: RO
Inventors: Ioan Ţenu; Vasile Vîntu; Andrei Gutt
Original assignee: Universitatea De Ştiinţe Agricole Şi Medicină Veterinară "Ion Ionescu De La Brad" Iaşi
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-04-30
Also published as: RO129399B1

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi la un aparat automat pentru determinarea apei existente în materiale lichide, pulverulente, sau în materiale solide. Procedeul conform invenţiei se bazează pe evaporarea apei dintr-o cantitate precisă de probă, condensarea vaporilor de apă rezultaţi şi electroliza apei condensate, determinarea cantităţii de apă efectuată pe cale electrochimică coulombmetrică, luându-se în calcul curentul de electroliză şi timpul de electroliză. Aparatul conform invenţiei este o structură termo-electronică automată, formată dintr-o unitate de evaporare a apei, o unitate Peltier de condensare a vaporilor de apă, o celulă de electroliză şi o unitate electronică; unitatea de evaporare a apei se compune dintr-un cuptor (1) încălzit cu un rezistor (2) electric, o nacelă (3) din ceramică, cu un material (4) pentru analiză, un capac (5) de închidere etanşă, un termocuplu (6) de control a temperaturii şi un electroventil; unitatea Peltier de condensare a vaporilor de apă este o incintă (8) verticală cu două elemente (9, 10) Peltier plane, iar celula de electroliză esterealizată sub forma unui corp (11) polimeric cav, şi dispune de doi electrozi (12, 13) din platină, două orificii (Oşi O) permit eliminarea în atmosferă a heliului de antrenare a vaporilor de apă, precum şi a hidrogenului şi a oxigenului rezultat din electroliza apei (16) de condensare; toate operaţiile procesului de analiză sunt gestionate şi controlate cu ajutorul unei unităţi (17) electronice.

Description

Invenția se referă un procedeu și la un aparat automat pentru determinarea apei existente în materiale lichide, pulverulente, sau în materiale solide în vederea determinării masei apei absolute existente în materiale lichide, pulverulente, sau în materiale solide poroase, sînt folosite la ora actuală două procedee cu echipamentele aferente:

- proceul gravimetric, folosit la probe pulverulente sau solide, care costă în cîntărirea unei mici cantități de material cu o balanța de precizie, urmată de încălzirea materialului într-o etuvă pentru a produce evaporarea apei și urmată din nou de cîntărire. Diferența de masă între cele două cîntăriri raportată la masa inițială și înmulțită cu 100 dă procentul de apă din probă. Dezavantajul major al acestui procedeu îl reprezintă faptul că prin el se determină procentul absolut de apă adică suma cantităților celor trei forme posibile de existență ale acesteia: apă liberă nelegată, apă capilară și apă legată fizico- chimic de material. în afară de acest dezavantaj, acest tip de determinare con ine și o eroare aleatoare importantă deoarece alături de apă se pot evapora și se evaporă și alți compuși volatili, pierderea de masă datorată acestora fiind atribuită eronat ca fiind apă.

- procedeul Karl Fischer, folosit la probe lichide și geluri. Acest procedeu este foarte precis și este standardizat in majoritatatea statelor pentru determinarea apei din produse farmaceutice, alimentare și cosmetice. Procedeul Karl Fischer este unul titrimetric și se bazează pe faptul că reacția dintre bioxid de sulf și iod poate avea loc numai în prezența apei care se consumă stoechiometric cu iodul solvit în metanol și adăugat solușiei de analizat prin titrare. Atîta timp cît in soluție există apă (apa care se dorește a se determina), iodul adăugat, de culoare galben-brun, este redus la iod incolor. După ce apa s-a consumat total prin reacție iodul dozat suplimentar prin titrare nu mai este redus și colorează imediat soluția ceea ce indică sfîrșitul reacției. Determinarea apei se face pe cale volumetrică luînd în calcul volumul de soluție alcoolică de iod dozată și stoechiometria reacțiilor. Dezavantajul procedeului îl reprezintă faptul ca acesta necesită reactivi de înaltă puritate, personal specializat și nu poate determina decît cantitatea “absolută de apă. De asemenea, probele solide poroase sau pulverulente necesită un mod preparativ complicat pentru determinarea apei.

Problema pe care o rezolvă invenția constă în conceperea unui procedeu și a unui aparat aferent care permit determinarea cantității de apă din probe lichide, pulverulente sau probe solide poroase, astfel:

Procedeul conform invenției constă în evaporarea apei dintr-o cantitate precisă de probă, condensarea vaporilor de apă urmată de electroliza apei condensate și de determinarea cantității de apă pe cale coulometrică luînd în calcul curentul de electroliză și timpul de electroliză.

Aparatul conform invenției este o structură termo-electronică formată dintr-un cuptor de încălzire, cu diferite programe de încălzire, în care se introduce etanș proba analizată, un sistem de antrenare a vaporilor de apă cu un gaz inert, un condensator termoelectric de tip Peltier pentru condensarea vaporilor de apă rezultați din proba analizată, o celulă de electroliză cu doi electrozi de platină pentru electroliza apei condensate și o unitate electronică pentru achiziția prelucrarea și afișarea datelor.

cx- 2 O 1 2 - O O 6 fi 4 - - \ γ

O 2 -w- 2012

Prin aplicarea invenției se obțin următoarele avantaje:

- se poate determina automat cantitatea de apă din probe lichide, pulverulente sau solide în cazul probelor pulverulente sau solide se poate determina distinct cantitatea de apă liberă, cantitatea de apă capilară și cantitatea de apă legată fizico- chimic de materialul de bază

- precizia de determinare este ridicată deoarece în calcul intra numai apa evaporată nu și celelalte componente volatile care se evaporă din materialul analizat procedeul și aparatul aferent nu necesită reactivi chimici ceea ce duce la economii și la protecția mediului

- determinarea apei este extrem de simplă și nu necesită personal cu înaltă calificare.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătura cu figura 1, figura 2 și figura 3 care reprezintă:

Fig.1. Schema de principiu a aparatului pentru determinarea apei din probe pulverulente sau solide

Fig. 2. Ciclograma de încălzire la determinarea apei libere

Fig. 3. Coulomgrama la determinarea apei libere

Aparatul conform invenției este format dintr-o unitate de evaporare a apei, o unitate Peltier de condensare a vaporilor de apă, o celulă de electroliză și o unitate electronică. Unitatea de evaporare a apei se compune la rîndul ei dintr-un cuptor 1 încălzit cu un rezistor 2 electric, în care se introduce o nacelă 3 din ceramică cu materialul 4 pentru analiză, un capac 5 de închidere etanșă, un termocuplu 6 de control a temperaturii și un electroventil 7 pentru admisia automată a heliului care antrenează vaporii de apa rezultați din evaporare. Unitatea Peltier de condensare a vaporilor de apă este o incintă 8 verticală cu două elemente 9 și 10 Peltier plane. Celula de electroliză este un corp 11 cav, detașabil prin împingere pe orizontală de incinta 8 verticală, realizată din material polimeric de înaltă densitate, pe fundul căreia se găsesc lipiți doi electrozi 12 și 13 din platină, ce mulează curbura cavității, alimentați prin intermediul unui conector 14 și a unui cablu 15 electric. Corpul cav 11 respectiv incinta 8 verticală dispun de două orificii O-ι și O₂ ce permit eliminarea în atmosferă a hidrogenului și a oxigenului rezultate din electroliza apei 16 de condensare a vaporilor precum și a heliului de antrenare Unitatea 17 electronică gestionează toate operațiile procesului de analiză, inclusiv determinarea umidității totale, controlată în scop de verificare a bilanțului de masă cu o balanță 18 analitică electronică.

Modul de lucru cu aparatul conform invenției este următorul:

- se cîntărește pe balanța 18 analitică electronică, conectată pentru transfer de date direct la unitatea 17 electronică, o cantitate bine stabilită (cca 10-15g) din materialul 4 pentru analiză și se introduce în nacela 3 din ceramică care la rîndul ei se introduce în cuptorul 1 de evaporare după care acesta se închide prin infiletarea strînsă a capacului 5 de etanșare.

- se programează din unitatea 17 electronică regimul de încălzire. Astfel, dacă se urmărește numai determinarea apei libere din materialul 4 analizat, ciclul de încălzire are o singură rampă de încăzire, un timp de menținere ca în figura 2. Dacă se urmărește determinarea tuturor formelor de apă existente, sau bănuite a exista în proba analizată, respectiv: apă liberă, apă absorbită în capilare (în cazul probelor solide ce prezintă capilaritate) sau a apei legate fizico-chimic, ciclul de încălzire are trei rampe și trei timpi de menținere constantă a temperaturii.

- se pornește din unitatea 17 electronică analiza apei. Această operație provoacă automat inițierea regimului de încălzire programat, deschiderea electroventilului 7 ^- 2 0 1 2 - 0 0 6 ^4-0 2 -10- 2012

pentru heliul de antrenare cu un debit prestabilit de cca 150 ml/min și presiunea de cca 0,2 bar.

- la atingerea temperaturii de evaporare apa liberă din probă începe să se evapore, iar vaporii antrenați atît de suprapresiunea proprie cît și de presiunea gazul inert purtător (heliu sau argon) ajung în condensatorul Peltier unde vaporii de apă condensează și formează picături de apă care cad pe electrozii de platină din fundul cuvei de electroliză. Este suficientă prezența unei singure picături de apă între cei doi electrozi pentru a iniția procesul de electroliză. Pe tot timpul procesului tempertura este menținută constantă prin intermediul unui termostat electronic pînă cînd s-a electrolizat toată cantitatea de apă evaporată și condensată.

- în urma electrolizei apei rezultate din evaporare rezultă o coulomgramă, ca în figura 3, cantitatea m de apă din proba 4 de material analizat fiind stabilită pe baza integrării legii lui Faraday:

K țl dt constanta electrochimică; T - timpul de electroliză; de electroliză a unui anumit tip de apă; tb- timpul (1) unde: I - curentul de electroliză; Kt_a- timpul la care se inițiază ciclul la care se finalizează ciclul de electroliză a unui anumit tip de apă din probă.

Declanșarea integrării respectiv oprirea integrării se realizează în punctele de minim t-ι t₃, t₄ t₆, t₇ t_g, determinate din intersecția liniei de bază (stabilită prin soft pe baza valorii zgomotului de fond și începutul creșterii valorii curentului de electroliză, cel din urmă fiind stabilt din valoarea derivatei a l-a a intensității curentului de electroliză în funcție de timp) cu baza peak-urilor celor trei forme sub care poate exista apa în probă, corespunzător rezultă masa apei libere din probă ca fiind:

i, m K p dt a apei capilare:

m K p dt

1₁ și a apei legată fizico-chimic:

t_sm K p₃ dt (2) (3) (4)

Trebuie menționat că masa m a apei determinate din materialul 4 analizat reprezintă o valoare absolută și nu una relativă. Pentru verificarea periodică a corectitudinii funcționării aparatului se poate realiza bilanțul total de masă a apei. în acest scop, după efectuarea analizei apei conform invenției, nacela 3 din ceramică se cîntărește după răcire pe balanța 8 analitică electronică, unitatea 17 electronică calculînd automat atît cantitatea absolută de masa de apă pierdută prin evaporare cît și compoziția procentuală a apei din materialul 4 analizat. Tot pentru asigurarea unei înalte reproductibilități a datelor, după un anumit număr de determinări(peste 100), se extrage celula de electroliză de pe incinta 8 verticală și se toarnă o soluție de 10 % acid clorhidric în cupa acesteia în așa fel încît electrozii de platină 12 și 13 să fie complet acoperiți. După aceasta operație celula de electroliză se clătește de minimum 2 ori cu apă bidistilată, se usucă, după care se montează prin împingere pe ghidajul ei de pe incinta 8 verticală

Claims

1. Invenția Procedeu și aparat pentru determinarea apei caracterizat prin aceea că procedeul se bazează pe evaporarea apei dintr-o cantitate precisă de probă, condensarea vaporilor de apă rezultați și electroliza apei condensate, determinarea cantității de apă fiind efectuată pe cale electrochimică coulometrică luîndu-se în calcul curentul de electroliză și timpul de electroliză.

2. Invenția procedeu și aparat pentru determinarea apei caracterizat prin aceea că aparatul conform invenției este o structură termo-electronică automată format dintr-o unitate de evaporare a apei, o unitate Peltier de condensare a vaporilor de apă, o celulă de electroliză și o unitate electronică, unitatea de evaporare a apei se compune la rîndul ei dintr-un cuptor (1) încălzit cu un rezistor (2) electric, o nacelă (3) din ceramică cu materialul (4) pentru analiza, un capac (5) de închidere etanșă, un termocuplu (6) și un electroventil, unitatea de condensare este o incintă (8) verticală cu două elemente (9) ș· (10) Peltier plane, iar celula de electroliză este realizată sub forma unui corp (11) polimeric cav și dispune de doi electrozi (12) și (13) din platină, două orificii (O-ι) și (O₂) permit eliminarea în atmosferă a heliului de antrenare a vaporilor de apă precum și a hidrogenului și a oxigenului rezultat din electroliza apei (16) de condensare, toate operațiile procesului de analiză sunt gestionate i controlate cu ajutorul unei unită și (17) electronice.