Измерение вязкостных характеристик геля оксигидрата железа (III) с помощью ротационного вискозиметра

Измерительный цилиндр через муфту соединяют с измерительным валиком измерительного механизма следующим образом: берутся за рифленую часть измерительного цилиндра и припасовывают к измерительному валику, затем втулку подводят вверх в положение разжима, а измерительный цилиндр вставляются до упора (до двух щелчков) на измерительный валик. После освобождение втулки последняя возвращается в положение зажима.

Далее устанавливают необходимую скорость деформации на приборах с помощью 12-ступенчатого механизма включения (1).

Собирают измерительный бак, состоящий из цилиндрической трубы (4), неподвижного измерительного цилиндра (5) и запорного кольца (6), предварительно смазав вазелином резиновую прокладку на неподвижном измерительном цилиндре для предотвращения ее пересыхания и износа. С помощью пипетки отбирают 10 мл приготовленного заранее оксигидратного геля и распределяют его сверху в кольцевой зазор измерительного бака.

Измерительный бак насаживают на измерительный механизм, при этом он должен осторожно передвигаться через измерительный цилиндр (3). После припасовки на измерительном механизме измерительный бак легкими осциллирующими вращательными движениями перемещают вверх. Натяжной рычаг при этом направлен влево. Измерительный бак зажимают за счет поворота натяжного рычага вправо.

После сборки устройства и установления температуры производят включение прибора «Реотест 2» и запуск регистрации реологических кривых в следующем порядке:

1. Запускают электродвигатель путем последовательного включения выключателя (8) и (9) на измерительном блоке (рис. 1.6) О включении сигнализируют контрольные лампы над выключателями.

2. Запускают компьютерную программу «Е270demo», общий вид которой представлен на рис. 2.1:

а) б)

Рис. 2.1. Общий вид программы «Е270demo» (а-нижнее окно, б-верхнее окно).

3. Нажимают «Открыть», далее в пункте «Отображать» выбирают «физ. вел.» и ставят галочку у «файл». Откроется окно для сохранения документа. Указывают место сохранения и название файла, обязательно при этом указав расширение файла «hex» (например: «скорость2.hex»).

4. В окне программы «Е270demo» нажимают «Монитор».

5. В открывшемся окне нажимают «Пуск». Начинается регистрация данных.

Измерение проводят в течении 5 часов. Выключение производят в следующем порядке:

1. В верхнем окне программы «Е270demo» нажимают «Стоп» и закрывают это окно.

2. В нижнем окне программы «Е270demo» нажимают «Запомнить», затем «Закрыть» и закрывают окно программы.

3. Выключают термостаты поочередно у каждого реотеста.

4. Выключают последовательно выключатели и на измерительном блоке каждого реотеста.

Разбирают устройство в порядке обратном сборке. Разбирают измерительный блок и тщательно промывают все его составные части, споласкивая дистиллированной водой.

Построение фазовых портретовгеля оксигидрата железа (III)

Эволюция процессов, происходящих в ГОЖ может быть описана системой n обыкновенных дифференциальных уравнений:

,

где – вектор в фазовом пространстве, – векторное поле над этим пространством.

Точка фазового пространства задает состояние системы. Приложенный в этой точке вектор указывает скорость изменения состояния.

Пусть нами измерена динамическая вязкость в разные моменты времени и получен набор данных _i, где индекс i означает номер (номер соответствует моменту времени, в который произведено измерение). Вычислим две разности—первого порядка

и второго порядка

,

которые соответствуют первой и второй производной. Поставим в соответствие динамической вязкости координату х декартовой пространственной системы координат, разности первого порядка координату у, и второго порядка координату z. В результате для разных моментов времени получим некоторую пространственную картину, которая является фазовым портретом.

Обсуждение результатов

Для каждой концентрации построили график зависимости логарифма динамической вязкости от времени.

Рис. 2.2. график зависимости логарифма динамической вязкости от времени.

Зависимость имеет периодический характер, который вызван реструктуризацией ДЭС. Катионы диффузного слоя попадают в дисперсную среду и могут связываться в новые ДЭС и участвовать в реакциях оляции, полимеризации и деструкции, которые приводят к образованию термодинамически метастабильных полимерных фрагментов. С увеличением размера цепи ее нестабильность возрастает, а это в свою очередь увеличивает вероятность деструкции цепи. При определенной длине полимерной цепи происходит ее разрыв. Получившиеся в результате разрыва фрагменты являются более стабильными и могут вновь продолжить рост.

Было проведено сравнение средних значений показателей динамической вязкости.Они имеют незначительное отличие, поэтому мы не можем опираться только на них.

В Приложении представлены фазовые портреты ГОЖ реконструированные на основе показателей динамической вязкости.

Приведем некоторые экспериментально полученные и теоретически выделенные в соответствии с расчетной программой КОКСТЕР остовные структуры геля оксигидрата железа. Фазовый портрет имеет вид многогранника Кокстера. В вершинах отметим многогранниками число точек в вершине фазового многогранника. Они имеют вид тригональной бипирамиды, физический смысл граней - колебания вызванные реструктуризацией ДЭС. Также присутствуют многогранники фуллероидного вида, на основании прошлых исследований можно предположить, что данный вид многогранников отвечает присутствию воды в кластере. Многогранники соединяются между собой гранями кокстеровского многогранника, характеризующего надкластерную структуру.

Форма многогранника Кокстера показывает пространственное расположение кластеров в фазовом пространстве.

При малых концентрациях многогранник Кокстера на фазовом портрете имеет форму овала и не зависит от стехиометрии реакции.

а) б)

Рис. 2.3. Фазовые портреты ГОЖ(III) при малых концентрациях осадителя(0,3 М).

 

 

а) б)

Рис. 2.4.Остовная структура оксигидрата железа при малых концентрациях осадителя (0,3М). По осям отложены: logη_i+2 –2logη_i+1 +logη_i (ось аппликат),logη_i+1 –logη_i(ось абсцисс) и logη_i(ось ординат). а) – NaOH, б) – NH₄OH.

На основании проведенных опытов и литературных источников, можно предположить, что частицы имеют форму, представленную на рис. 2.5:

Рис. 2.5. Микрофотография частиц геля ОГЖ(III) при малых концентрациях осадителя (0,3М).

При увеличении концентрации осадителя уменьшается число центров кристаллизации, образуются кластеры большего размера и постепенноизменяется их форма.

а) б)

Рис. 2.6. Фазовые портреты ГОЖ(III) при высоких концентрациях осадителя (2М).По осям отложены: logη_i+2– 2logη_i+1 +logη_i (ось аппликат),logη_i+1 –logη_i(ось абсцисс) и logη_i(ось ординат). а) – NaOH, б) – NH₄OH.

а) б)

Рис. 2.7.Остовная структура оксигидрата железа при высоких концентрациях осадителя. По осям отложены: logη_i+2 -2logη_i+1 +logη_i (ось аппликат),logη_i+1 –logη_i(ось абсцисс) и logη_i(ось ординат). а) – NaOH, б) – NH₄OH.

При высоких концентрациях осадителя фазовые портреты имеют вытянутую форму, предполагаемая форма частиц представлена на рисунке 13:

Рис. 2.8. Микрофотография частиц геля ОГЖ(III) при высоких концентрациях осадителя (2М).

Было рассмотрено влияние природы осадителя, концентрации осадителя и концентрации исходной соли железа на сорбционные свойства оксигидрата железа.

Исследования сорбции из жидких растворов обычно осложнены тем, что при контакте раствора с твердым адсорбентом всегда возможна сорбция всех компонентов, что влияет на характер изотермы адсорбции. Если рассматривать лишь двухкомпонентный раствор, то для каждого из компонентов раствора будет своя индивидуальная изотерма, совокупность которых и определяет вид обобщенной изотермы.

На основе экспериментально полученных данных были построены изотермы сорбции для каждой серии опытов, представленные на рис. 2.9:

Рис. 2.9. Изотерма сорбции Cr₂O₇^2- на ОГЖ(ΙΙΙ) в зависимости от концентрации исходного раствора.

По классификации, данной Брунауэром, Эмметом и Теллером, изотермы, характеризующие процесс адсорбции, относятся к изотермам IV типа. Согласно рис.2.9. по форме изотерм можно сделать предположение о том, что данные S-образные изотермы относятся к изотермам переходно-пористого сорбента. Выпуклые участки изотерм сорбции указывают на наличие в сорбентах микропор, но, кроме того, имеют еще и макропоры, на которые указывают вогнутые участки. Чем круче изотерма, тем мельче микропоры. Нижняя часть S-образной кривой от начала координат до точки перегиба соответствует образованию мономолекулярного слоя, а затем происходит полимолекулярная адсорбция, объясняющая дальнейший подъем кривой. [14]

Из графика следует, что начальные участки изотермы сорбции Cr₂O₇^2- ОГЖ(ΙΙΙ) имеют схожий вид, содержит макро- и микропоры в сорбционном геле.

Для определения максимальной адсорбции построили график в координатах 1/Г – 1/С и определяли значение максимальной адсорбции, которая соответствует полному насыщению поверхностного слоя.

Рис. 2.10. Значение максимальной адсорбции.

Сорбционная активность ОГЖ(ΙΙΙ) по отношению к ионам в растворе зависит от соотношения в осадке ОН-групп и иных форм связанной воды. ОГЖ(ΙΙΙ) полученный осаждением из раствора исходной соли осадителем более высокой концентрации имеет большее значение сорбционной активности по сравнению ОГЖ(ΙΙΙ) полученного осаждением из раствора исходной соли осадителем меньшей концентрации.

 

Вывод

1) При анализе фазовых портретов не было выявлено зависимости от природы осадителя, следовательно, форма и размер частиц изменяется незначительно. Это вызвано лишь малыми изменениями ДЭС частицы, в частности, слой Гуи состоит из ионов аммония или ионов натрия.

2) Установлен характерный вид фазового портрета для низкой и высокой концентрации осадителя. При повышении концентрации осадителя фазовый портрет приобретает вытянутую форму.

3) График зависимости логарифма динамической вязкости от времени имеет нелинейные свойства, так как происходит реструктуризация ДЭС и участие катионов диффузного слоя в реакциях оляции, полимеризации и деструкции.

4) На форму фазового портретав большей степени влияет концентрация осадителя, так как изменяется форма и размер частиц.

5) При низких концентрациях осадителя образуются более мелкие частицы, которые являются более стабильными. При высоких концентрациях осадителя выпадают более крупные, нестабильные частицы. Вследствие этого бихромат – ионы будут встраиваются более активно в ДЭС таких макромолекул, вызывая различные конформерные превращения. В связи с этим сорбция на гелях, полученных из концентрированного раствора осадителя будет выше.

 

 

Список литературы:

1. Равич-Щербо М. И. Физическая и коллоидная химия [Текст]/ М. И. Равич-Щербо, В. В. Новиков.– М.: «Высш. школа». – 1975.

2. Буянов, Р.А / Р.А. Буянов, О.П. Криворучко // Реф. докл. и сообщ. XII Менделеевский Съезд по общей и прикладной химии – М.: Наука. – 1981. – № 3. – С. 15.

3. Душина, А.П. Ионный обмен как первая стадия превращения твёрдых веществ в растворах электролитов [Текст] / А.П. Душина, В.Б. Алексовский // Журн. прикл. химии – 1976. – Т. 49, – № 1. – С. 41–49.

4. Мархол, М. Ионообменники в аналитической химии [Текст] / М. Мархол. – М.: Мир. – 1985. – 545 с.

5. Brown G.E. Metal oxide Surfaces and their interactions with aqueous solutions and microbial organisms [Text] / G.E. Brown, V.E. Henrich, W.H. Casey, D.L. et al. // Chem. Rev. – 1999. – Vol. 99. – P. 77–174.

6. Гринберг, А.А. Введение в химию комплексных соединений [Текст] / А.А. Гринберг. – М.: Химия. – 1966. – 632 с.

7. Сухарев Ю.И. Структурирование гелей оксигидрата циркония [Текст] / Ю.И. Сухарев, Л. П. Скуратович// изв. АН СССР, сер. Неорг. матер., 1991. – Т27. - №7.

8. Золь-гель процесс. [Электронный ресурс] // Химический портал Chemport. URL: http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_1299.html

9. Сухарев Ю. И. Шумовые пульсации в оксигидратных системах [Текст] / Ю. И. Сухарев, Б. А. Марков. // Монография /Челябинск: Изд-во Челябинского государственного университета, 2012. – 160с.

10. Перевощикова Н.Б. К вопросу о гидролизе ионов железа (III) в водных растворах [Текст] / Н.Б. Перевощикова, В.И. Корнев. //Вестник Удмуртского государственного университета.Химия.- 2005.- №9.

11. Сухарев Ю.И. Нелинейность гелевыхоксигидратных систем [Текст] / Ю.И. Сухарев, Б.А.Марков. – Челябинск: Изд-во Челябинского государственного университета.

12. Рейнер М. Реология [Текст] / М. Рейнер. – М.: Наука. –1965. – 224 с.

13. Исследование явления самоорганизации оксигидратных гелей [Текст]: Методические указания к лабораторным работам/ Ю.И. Сухарев, Т.И. Пролубникова, И.А Шарфунов.– Челябинск: Изд-во Челябинского государственного университета, 2009. – 39 с.

14. Сазонова А.В. Сорбционное концентрирование катионных красителей на природном карбонате [Текст]/Сазонова А.В., Ниязи Ф.Ф., Мальцева В.С. //Современные проблемы науки и образования – 2012. – №1.