способ определения количества выделяющегося аммиака в процессе исследования веществ и их смесей

Формула изобретения

Способ определения количества выделяющегося аммиака в процессе исследования веществ и их смесей, включающий операцию размещения образца или навески анализируемого вещества в замкнутом объеме в потоке газа, поглощение выделенного аммиака раствором, отличающийся тем, что поглощение аммиака проводят в раствор смеси слабых кислот при одновременном измерении водородного показателя (рН), а количество выделившегося аммиака определяют по предварительно построенному калибровочному графику, при этом в качестве поглотительного раствора используют раствор смеси лимонной и щавелевой кислот в концентрации от 0,001 до 0,1 М.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в способах определения выделяющегося аммиака в процессе нагревания или охлаждения веществ и их смесей, например, при изучении процесса их термического разложения.

Известен фотоколориметрический способ определения количества аммиака, основанный на определении ионов аммония по индофенолу, образующемуся в результате взаимодействия ионов аммония с гипохлоритом и фенолом в присутствии нитропрусида. При выполнении измерений готовят следующие вспомогательные реагенты: А. водный раствор фенола и нитропрусида и Б. водный раствор гипохлорита натрия в сильнощелочной среде. Разбавляют 5 см³ поглотительного раствора в пробирке дистиллированной водой в количестве 5 см ³, а затем добавляют туда 0,25 см³ реагента А и 0,25 см³ реагента Б, перемешивают, закрывают пробкой и нагревают в течение 2 ч при температуре 50°С. Затем раствор охлаждают до комнатной температуры и определяют оптическую плотность на фотоколориметре относительно воды при длине волны 630 нм в кюветах с длиной рабочего слоя 10 мм. Количество аммиака в поглотительном растворе определяют при помощи капибровочнго графика (РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы. - М., 1991 г., с.413, 445).

Недостатки известного способа состоят в том, что он требует отбора проб по 5 см³, что приводит к изменению общего объема поглотительного раствора в процессе работы и необходимости последующего перерасчета, а также к длительности и сложности обработки пробы. Эти требования ограничивают возможности оперативного (практически мгновенного) определения количества выделившегося аммиака и возможности проведения большого (более 10) количества измерений для построения подробной кривой хода выделения аммиака.

Известен также способ потеяциомегрического определения аммиака с использованием ион-сетективных электродов. (Васильев В.П. Аналитическая химия, т.2. - М.: Высшая школа, 1989 г. с.200-203 - прототип). Известный способ (метод) основан на измерении разности потенциалов между электродом с мембраной, чувствительной к ионам аммония (аммиаку в поглотительном растворе), и электродом сравнения. Подготовленные электроды погружают в исследуемый раствор, включают измерительный прибор, подсоединенный к ним, и снимают его показания. Количество аммиака в поглотительном растворе определяют при помощи калибровочного графика или коэффициентов.

Недостатки известного способа состоят в том, что он требует специализированного оборудования - ион-селективных электродов и измерительного прибора, которое не всегда может быть доступно и сложно в обслуживании. Задержка по времени между изменением концентрации и установлением показания для некоторых типов электродов может составлять несколько минут, что вносит искажения при построении подробной кривой хода выделения аммиака.

Техническая задача изобретения - обеспечение оперативности способа при исследовании динамики процесса выделения аммиака из навески анализируемого вещества или смеси веществ.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения количества выделяющегося аммиака в процессе исследования веществ и их смесей, включающем операцию размещения образца или навески анализируемого вещества в замкнутом объеме в потоке газа, поглощение выделенного аммиака раствором, - поглощение аммиака проводят в раствор смеси слабых кислот при одновременном измерении водородного показателя (рН), а количество выделившегося аммиака определяют по предварительно построенному калибровочному графику, причем в качестве поглотительного раствора используют раствор смеси лимонной и щавелевой кислот в концентрации от 0,001 М до 0,1 М.

Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:

- поглощение аммиака проводят в раствор смеси слабых кислот при одновременном измерении водородного показателя (рН);

- количество выделившегося аммиака определяют по предварительно построенному калибровочному графику,

- в качестве поглотительного раствора используют раствор смеси лимонной и щавелевой кислот в концентрации от 0,001 М до 0,1 М.

Это позволит обеспечить оперативность способа при исследовании динамики процесса выделения аммиака из навески анализируемого вещества или их смесей. В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также технических решений с указанными отличительными признаками.

Заявленное техническое решение применимо и будет использовано при исследовании веществ и их смесей в 2008 г.

На фиг.1 представлена схема установки для выполнения заявленного способа;

На фиг.2-5 представлены калибровочные графики;

На фиг.6 представлен график выделения аммиака из навески кристаллического диаммонийфосфата;

На фиг.7 представлен график выделения аммиака из навески карбамида.

На фиг.8 представлен график выделения аммиака при разложении акцептора.

Установка для выполнения заявленного способа включает компрессор 1 с гибким шлангом 2, соединенным с воздуховодом 3, установленную на электронагревательном приборе 4 круглодонную трехгорлую колбу 5 с отводным гибким шлангом 6, стакан 7 с поглотительным раствором 8, рН-метр 9 с хлорсеребрянным 10 и стеклянным 11 электродами, закрепленными в стакане 7. На дне колбы 5 расположен слой 12 очищенного кварцевого песка, при этом воздуховод 3 размещен в колбе 5. Колба 5 оборудована съемным контролирующим термометром 13.

Установка работает следующим образом.

Воздух из компрессора 1 поступает по гибкому шлангу 2 через воздуховод 3 в круглодонную трехгорлую колбу 5. На дне колбы 5 содержится слой 12 (около 160 г) очищенного кварцевого песка, в который погружен контролирующий термометр 13. Колба 5 нагревается с помощью электронагревательного прибора 4, снабженного песочной баней и регулятором мощности (не показано). Разогрев ведут до стабилизации температуры по показаниям контролирующего термометра 13.

По достижении заданной температуры термометр 13 вынимается, исследуемое (анализируемое) вещество или смесь веществ в сухом виде наносится на поверхность песка 12, а термометр 13 заменяется стеклянной пробкой. Выделившийся аммиак захватывается потоком воздуха из воздуховода 3 и через гибкий шланг 6 подается в стакан 7 с 50 см³ поглотительного раствора. В стакане 7 закреплены стеклянный 11 и хлорсеребрянный 10 электроды pH-метра 9. Поглотительный раствор непрерывно перемешивается проходящим через него нагретым воздухом. О количестве выделившегося аммиака судят по изменению реакции среды поглотительного раствора при помощи предварительно построенного калибровочного графика.

По заявленному способу проводили исследование веществ и их смесей, используемых в деревообрабатывающей промышленности для поглощения формальдегида при изготовлении древесных плит способом горячего прессования.

Способ выполняли следующим образом.

Пример 1

Готовят 0,01 М раствор лимонной к 0,01 М раствор щавелевой кислот, а затем смешивают по 25 см³ каждого из растворов для получения 50 см³ поглотительного раствора. Включают и приводят в рабочее состояние прибор pH-метр со стеклянным электродом.

Определяют точную концентрацию концентрированного (25%-го) раствора аммиака, согласно ГОСТ 9-67 «Аммиак водный, технический». При необходимости разбавляют его в несколько раз. Весовым методом определяют вес одной капли разбавленного раствора аммиака и рассчитывают количество аммиака в ней.

Измеряют водородный показатель (рН) поглотительного раствора, а затем по каплям добавляют раствор аммиака, измеряя и фиксируя рН раствора после каждой капли. Общее количество добавляемого аммиака составляет от 10 до 25 мл, что соответствует навеске вещества в 100 мг с содержанием аммиака до 25%. Изменениями объема раствора можно пренебречь.

По полученным данным строят зависимость рН поглотительного раствора от количества добавленного в него аммиака (мг), т.е. калибровочный график. Вид полученного калибровочного графика представлен на фиг.2.

Пример 2

Выполняют действия по примеру 1, но концентрация растворов кислот составляет свыше 0,1 М. Вид полученного калибровочного графика представлен на фиг.3.

Как видно из хода кривой на представленном графике фиг.3 25 мг аммиака недостаточно для существенного изменения рН поглотительного раствора, т.е. чувствительность метода резко падает. Увеличение количества добавляемого аммиака приводит к необходимости работать в области больших навесок (до 1 г) исследуемых веществ, что недопустимо из-за их заметной тепловой инерции при прогревании.

Пример 3

Выполняют действия по примеру 1, но вместо растворов кислот используют дистиллированную воду (нулевая концентрация кислот). Вид полученного калибровочного графика представлен на фиг.4.

Как видно из хода кривой на представленном графике фиг.4, изменение водородного показателя носит неравномерный характер, наиболее резкое хождение отмечается в точках, лежащих близко к области нейтральной реакции раствора.

Пример 4

Выполняют действия по примеру 1, но исключают щавелевую кислоту, а лимонную кислоту берут в двойном количестве. Вид полученного калибровочного графика представлен на фиг.5

Как видно из хода кривой на представленном графике фиг.5, изменение водородного показателя происходит в недостаточно широкой области слабокислой реакции поглотительного раствора Чувствительность метода снижается.

Аналогичная картина наблюдается при использовании одной щавелевой кислоты, но значения водородного показателя в этом случае располагаются в области кислой реакции поглотительного раствора (1,5-3,0).

Пример 5

Построение кривой выделения аммиака из навески индивидуального вещества - кристаллического диаммонийфосфата.

Включают установку и разогревают ее до заданной температуры, в данном случае до 105°С. После достижения и стабилизации температуры вводят навеску 84 мг диаммонийфосфата (ДАФ) в виде сухого кристаллического вещества, начинают отсчет времени и значений рН. По полученным данным определяют количество аммиака, выделившееся в каждый момент времени, и строят график выделения аммиака Результаты проведенных исследований представлены на фиг.6

Из представленных на фиг.6 данных видно, что за 1 час (3600 с) при температуре 105°С из навески выделилось около 10 мг аммиака, что составляет 29% от массы всего аммиака в навеске ДАФ. Ход кривой выделения демонстрирует характерное снижение скорости выделения аммиака из навески ДАФ, что соответствует мономолекулярному механизму его разложения.

Пример 6

Построение кривой выделения аммиака из навески индивидуального вещества - карбамида.

Включают установку и разогревают ее до заданной температуры, в данном случае до 155°С. Согласно методике после достижения и стабилизации температуры вводят навеску 40 мг карбамида в виде сухого кристаллического вещества, начинают отсчет времени и значений рН. По полученным данным определяют количество аммиака, выделившееся в каждый момент времени и строят график выделения аммиака.

Результаты проведенных исследований представлены на фиг.7

Из представленных на фиг.7 данных видно, что за 1,8 час (6500 с) при температуре 155°С из навески выделилось около 7 мг аммиака, что составляет 31% от массы всего аммиака, способного выделится из взятой навески карбамида. Для разложения карбамида с выделением аммиака необходима вода для его гидролиза. Ход кривой выделения демонстрирует начальное интенсивное выделение за счет кристаллизационной воды карбамида, а затем скорость остается примерно постоянной, поскольку влага поступает только из потока воздуха, имеющего постоянную скорость (расход). Ход кривой подтверждает бимолекулярный механизм разложения карбамида.

Пример 7

Построение кривой выделения аммиака из навески смеси веществ - акцептора формальдегида.

Строят калибровочный график согласно примеру 1 или приложенной методики.

Собирают установку согласно приложенной методике. Включают установку и разогревают ее до заданной температуры, в данном случае до 107°С. Согласно методике после достижения и стабилизации температуры вводят навеску 90 мг смеси сухих кристаллических веществ - акцептора формальдегида, начинают отсчет времени и значений рН. По полученным данным определяют количество аммиака, выделившееся в каждый момент времени и строят график выделения аммиака. Результаты проведенных исследований представлены на фиг.8.

Из представленных на фиг.8 данных видно, что за 1 час (3600 с) при температуре 107°С из навески выделилось около 3,5 мг аммиака, что составляет около трети от массы аммиака в примерно равной навеске ДАФ. Ход кривой выделения аналогичный: как при выделении аммиака из навески ДАФ, но выделение менее интенсивно.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет обеспечить оперативность способа при исследовании динамики процесса выделения аммиака из навески анализируемого вещества или смесей веществ.