RO129399B1 - Aparat şi procedeu pentru determinarea apei - Google Patents

Description

Invenția se referă un procedeu și la un aparat automat pentru determinarea apei existente în materiale lichide, pulverulente, sau solide.

în vederea determinării masei apei absolute existente în materiale lichide, pulverulente, sau solide poroase, la ora actuală, sunt folosite două procedee cu echipamentele aferente:

Proceul gravimetric, folosit la probe pulverulente sau solide, care costă în cântărirea 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 cântărire. Diferența de masă dintre cele două cântăriri, raportată la masa inițială și înmulțită cu ÎOO, dă procentul de apă din probă. Dezavantajul major ai 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 conține 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 apei.

Procedeul Karl Fischer, folosit la probe lichide și geluri. Acest procedeu este foarte precis și este standardizat în majoritatea 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 soluției de analizat prin titrare. Atâta timp cât în 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 sfârșitul reacției . Determinarea apei se face pe cale volumetrică, luând în calcul volumul de soluție alcoolică de iod dozată și stoechiometria reacțiilor. Dezavantajul procedeului îl reprezintă faptul că acesta necesită reactivi de înaltă puritate, personal specializat, și nu poate determina decât 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 determinarea cantității de apă din probe lichide, pulverulente, sau solide poroase fără introducerea de reactivi în procesul de determinare.

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, luând în calcul curentul de electroliză și timpul de electroliză.

Aparatui conform invenției este o structură termo-eiectronică formată dintr-un cuptor deîncălzire, 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.

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;

RO 129399 Β1

- precizia de determinare este ridicată, deoarece în caicul intră numai apa evaporată, 1 nu și celelalte componente volatile care se evaporă din materialul analizat;

- procedeul și aparatul aferent nu necesită reactivi chimici, ceea ce duce la economii 3 și la protecția mediului;

- determinarea apei este extrem desimplăși nu necesită personal cu înaltă calificare. 5

Se dă, în continuare, un exemplu de realizarea invenției, în legătură cu fig. 1.,.3, care reprezintă: 7

- fig. 1, schema de principiu a aparatului pentru determinarea apei din probe pulverulente sau solide; 9

- fig. 2, ciclograma de încălzire la determinarea apei libere;

- fig. 3, coulomgrama ia determinarea apei libere. 11

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. 13 Unitatea de evaporare a apei se compune la rândul 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 15 capac 5 de închidere etanșă, un termocuplu 6 de control al temperaturii și un electroventil 7 pentru admisia automată a heliuIui care antrenează vaporii de apă rezultați din evaporare. 17

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 19 orizontală de incinta 8 verticală, realizată din material polimerie de înaltă densitate, pe fundul căreia se găsesc lipiți doi electrozi 12 și 13 din platină, ce mulează curbura cavității, 21 alimentați prin intermediul unui conector 14 și a unui cablu 15 electric. Corpul cav 11, respectiv incinta 8 verticală, dispun de două orificii O., și O₂, ce permit eliminarea în 23 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 25 operațiile procesului de analiză, inclusiv determinarea umidității totale, controlată în scop de verificare a bilanțului de masă cu o balanță 18 analitică electronică. 27

Modul de lucru cu aparatul conform invenției este următorul:

- se cântărește pe balanța 18 analitică electronică, conectată pentru transfer de date 29 direct la unitatea 17 electronică, o cantitate bine stabilită (circa 10...15 g) din materialul 4 pentru analiză și se introduce în nacela 3 din ceramică care, la rândul ei, se introduce în 31 cuptorul 1 de evaporare, după care acesta se închide prin infiletarea strânsă a capacului 5 de etanșare; 33

- 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 35 singură rampă de încăzire, un timp de menținere ca în fig. 2. Dacă se urmărește determinarea tuturor formelor de apă existente sau bănuite a exista în proba analizată, 37 respectiv: apă liberă, apă absorbită în capilare (în cazul probelor solide ce prezintă capilaritate) sau apă legată fizico-chimic, ciclul de încălzire are trei rampe și trei timpi de 39 menținere constantă a temperaturii;

- se pornește analiza apei din unitatea 17 electronică. Această operație provoacă 41 automat inițierea regimului de încălzire programat, deschiderea electroventil ului 7 pentru heliul de antrenare cu un debit prestabilit de circa 150 ml/min și presiunea de circa 0,2 bar; 43

- la atingerea temperaturii de evaporare, apa liberă din probă începe să se evapore, iar vaporii antrenați atât de suprapresiunea proprie, cât și de presiunea gazului inert purtător 45 (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. 47

RO 129399 Β1

Este suficienta prezența unei singure picături de apa între cei doi electrozi pentru a iniția procesul de electroliză. Pe tot timpul procesului, temperatura este menținută constantă prin intermediul unui termostat electronic, până când s-a electrolizei toată cantitatea de apă evaporată și condensată;

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

Fâraday:

unde: I - curentul de electroliză; K- constanta electrochimică; T - timpul de electroliză; t_atimpul la care se inițiază ciclul de electroliză a unui anumit tip de apă; t_b- timpul 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 Ț t₃, t₄1₆, t₇ tg, 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, iar corespunzător rezultă masa apei libere din probă ca fiind:

a apei capilare:

A

și a apei legată fizico-chimic:

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 cântărește după răcire pe balanța 8 analitică electronică, unitatea 17 electronică calculând automat atât cantitatea absolută de masă de apă pierdută prin evaporare, cât 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 celuia de electroliză de pe incinta 8 verticală și se toarnă o soluție de 10% acid clorhidric în cupa acesteia, în așa fel încât electrozii de platină 12 și 13 să fie complet acoperiți. După această 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 (2)

Revendicări

1. Aparat pentru determinarea apei din soluții lichide, pulverulente sau materiale solide, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-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 și o unitate electronică, în care unitatea de evaporare a apei se compune, la rândul ei, dintr-un cuptor (1) încălzit cu un rezistor (2) electric, o nacelă (3) din ceramică cu materialul (4) pentru analiză, un capac (5) de închidere etanșă a cuptorului, un termocuplu (6) pentru controlul temperaturii și un electroventil (7) pentru admisia automată a heliului care antrenează vaporii de apă rezultați din evaporare, unitatea de condensare este o incintă (8) verticală cu două elemente (9, 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 (Ο₄ și O₂) ce 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 fiind gestionate și controlate cu ajutorul unei unități (17) electronice.

2. Procedeu pentru determinarea apei din soluții lichide, pulverulente sau materiale solide, folosind aparatul de la revendicarea 1, caracterizat prin aceea că acesta cuprinde următoarele etape:

- evaporarea apei dintr-o cantitate precisă de probă cu ajutorul unei unității de evaporare (1, 2, 3, 4);

- condensarea vaporilor de apă rezultați, folosind o unitate Peltier (8, 9,10);

- electroliza apei condensate într-o celulă de electroliză (11, 12, 13);

- determinarea cantității de apă pe cale electrochimică coulometrică, luându-se în calcul curentul de electroliză și timpul de electroliză, pe baza legii lui Faraday.