Контроль концентрації поверхнево-активних речовин у рідинних середовищах за динамічним поверхневим натягом

Abstract

У дисертації розроблений спосіб контролю концентрації поверхнево-активних речовин за динамікою поверхневого натягу методом пульсуючого меніска. Сутність методу полягає в тому, що, шляхом прямої і зворотної подачі газу у меніск, реалізується процес пульсації меніска в околі максимального тиску в ньому, значення якого однозначно визначає поверхневий натяг на кожному циклі. Ефект полягає в тому, що меніск, при кожному циклі вимірювання, перетворюється у бульбашку після моменту досягнення максимального тиску у ньому, а переходить у новий стійкий стан рівноваги, тобто процес адсорбції поверхнево-активних речовин не припиняється. Завдяки цьому запропонований метод відповідає точності вимірювання ПН за методом максимального тиску у бульбашці і оперативності методу лежачої краплі (висячої бульбашки). Можливість реалізації запропонованого методу теоретично обґрунтовано шляхом розробки математичної моделі процесу пульсації меніска в околі максимального тиску у ньому в системі замкнутій відносно кількості газової фази. За результатами моделювання вперше теоретично обґрунтовані можливість і умови виникнення явища гістерезису із стрибкоподібними переходами при видавлюванні і всмоктуванні меніска, що було експериментально підтверджено. На основі експериментальних досліджень отримані робочі залежності для визначення концентрації поверхнево-активних речовин у водних розчинах за значенням поверхневого натягу. На основі результатів теоретичних досліджень запропоновано структурну схему і розроблено прилад для визначення динамічних характеристик поверхневого натягу і контролю концентрації поверхнево-активних речовин у рідинних середовищах. Виконано метрологічний аналіз розробленого приладу. Проведені лабораторні і натурні випробування розробленого приладу, які підтвердили його працездатність і можливість використання для контролю концентрації у розчинах для різних технологічних рідин, де використовують поверхнево-активні речовини.

В диссертации разработан способ контроля концентрации поверхностноактивных веществ по динамическому поверхностному натяжению. Для реализации данного способа предложен метод определения динамического поверхностного натяжения по максимальному давлению в пульсирующем газовом мениске. Сущность метода заключается в том, что путем прямой и обратной подачи газа в пузырек, реализуется процесс пульсации мениска в окрестности максимального давления в нем, значение которого однозначно определяет поверхностное натяжение на каждом цикле. Эффект заключается в том, что пузырек при каждом цикле не захлопывается после прохождения максимального давления, а переходит в новое устойчивое состояние равновесия, то есть процесс адсорбции поверхностноактивных веществ осуществляется на одну и ту же поверхность раздела фаз. Возможность реализации предложенного метода теоретически обоснована путем разработки математической модели процесса пульсации пузырька в окрестности максимального давления в системе замкнутой относительно количества газовой фазы. По результатам моделирования впервые теоретически обоснованы возможность и условия возникновения явления гистерезиса с скачкообразными переходами при выдавливании и всасывании мениска, что было экспериментально подтверждено. На основе экспериментальных исследований получены рабочие зависимости для определения концентрации поверхностно-активных веществ в водных растворах по значению поверхностного натяжения. На основе результатов теоретических исследований предложено структурную схему и разработан прибор для контроля концентрации поверхностно-активных веществ в жидкостных средах. Выполнено метрологический анализ разработанного прибора. Проведены лабораторные и натурные испытания разработанного прибора, которые подтвердили его работоспособность и возможность использования для контроля концентрации в растворах для различных технологических жидкостей, где используют поверхностно-активные вещества.

The thesis developed a way to control the concentration of surfactants on the dynamic surface tension. To implement this method, a method for determining the dynamic surface tension for maximum pressure of the meniscus in a pulsating gas meniscus is proposed. The essence of the method is that by the direct and reverse flow of gas in the meniscus, the process of being implemented in the vicinity of the meniscus ripple maximum pressure value that uniquely identifies the surface tension of each cycle. The effect is that the bubble, with each cycle, doesn’t slam after passing the maximum pressure and transit to a new steady state of equilibrium, i.e., adsorption of surfactants is at the same surface of the interface. The possibility of implementing the proposed method is theoretically justified by developing a mathematical model of the process of meniscus pulsation in the vicinity of maximum pressure in a closed system with respect to the number of gas phase. By results for the first time theoretically grounded possibility and conditions of the phenomenon of hysteresis abrupt transition during extrusion and suction blisters, which was experimentally confirmed. On the basis of experimental studies were provided working relationships for determining the concentration of surfactants in aqueous solutions by the value of the surface tension. On the basis of theoretical studies was offered a block diagram of the device and is designed to control the concentration of surface-active substances in liquid environments. Was achieved metrological analysis of the developed device. Was done the laboratory and field testing of the developed device, which confirmed its efficiency and ability to be used for controlling of concentration in solutions for different process fluids, where surface-active substances are used.