CC BY
7
УДК 006.91:544.3.032.73
Алимова Т.Е., Прокунин С.В., Овчинников Ю.А., Хорошилов А.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДЕЙТЕРИЯ В ВОДЕ НА ЕЁ УДЕЛЬНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОВОДИМОСТЬ
Алимова Татьяна Егоровна - специалист 5-го года обучения кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, РХТУ им. Д.И. Менделеева; техник 4-го разряда лаборатории 630, НИО-6, ФГУП «ВНИИФТРИ»; alimovatatyana7@gmail.com.
Хорошилов Алексей Владимирович - кандидат химических наук, директор Центра коллективного пользования имени Д.И. Менделеева, РХТУ им. Д. И. Менделеева; khoroshilov.a.v@muctr.ru. ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Прокунин Сергей Викторович - кандидат технических наук, заместитель начальника НИО-6 по научной работе - ученый - хранитель государственного первичного эталона; prokunin@vniiftri.ru. Овчинников Юрий Алексеевич - старший научный сотрудник - ученый-хранитель государственного первичного эталона; jao@vniiftri.ru.
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений», Россия, Московская область, г. Солнечногорск, п. Менделеево, ФГУП «ВНИИФТРИ»
В статье рассмотрены результаты исследований влияния концентрации дейтерия в воде на величину удельной электрической проводимости, измеренной на Государственном первичном эталоне единицы удельной электрической проводимости жидкостей ГЭТ132-2018. Установлена зависимость между разницей удельной электрической проводимости в природной воде и воде, с измененным изотопным составом по дейтерию.
Ключевые слова: стабильные изотопы, дейтерий, УЭП, эталон, метрология
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE DEUTERIUM CONCENTRATION IN WATER ON ITS SPECIFIC ELECTRIC CONDUCTIVITY
Alimova T.E,1, Procunin S.V.1, Ovchinnikov Y.A.1, Khoroshilov A.V.2 2 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
1 Russian metrological institute of technical physics and radio engineering, Moscow region, Solnechnogorsky district, Mendeleevo.
The article discusses the results of studies of the influence of the concentration of deuterium in water on the value of electrical conductivity measured on the State primary standard of the unit of electrical conductivity of liquids GET 132-2018. A relationship has been established between the difference in specific electrical conductivity in natural water and water with a changed deuterium isotope composition. Keywords: stable isotopes, deuterium, UEP, standard, metrology.
Введение
В настоящее время тяжелая вода с измененным изотопным составом по дейтерию, привлекает всё большее внимание для ученых и исследователей в различных областях науки и техники. Например, её используют в тяжеловодных реакторах, как замедлитель нейтронов, в силу своих уникальных свойств в отличие от природной воды [1, 2]. Так же необходимо отметить её важное применение в медицинских и биологических исследованиях, где она используется в качестве индикатора в методе изотопных меток.
Из-за различия в физико-химических свойствах обычной и тяжелой воды возникает интерес в исследовании зависимости основных показателей, нормируемых в документах, регламентирующих качество и безопасность жизнедеятельности человека [3]. Обратной стороной исследований является изучение возможности создания
стандартных образцов тяжелой воды, которые, на данный момент, в России отсутствуют. В данной работе в качестве исследуемой физико-химической величины была выбрана удельная электрическая проводимость (УЭП), как наиболее распространенная характеристика водных растворов.
Экспериментальная часть
Перед измерением анализируемых проб природной и тяжелой воды проводили их очистку на установке, представленной на рис. 1.
Установка состоит из плоскодонной колбы (1), в которую наливают перегоняемую жидкость и ставят на электрическую плитку (2). С помощью насадки Кляйзена (3) термометр (4) и холодильник Либиха (5) соединяют с колбой (1). Жидкость из холодильника через алонж (6) попадает в приемник (7). Холодильник (5) и приёмник (7) закрепляют с помощью штативов (8) и (9), соответственно.
Рис.1 Установка для проведения простой перегонки:
1 - колба; 2 - электрическая плита; 3 - насадка Кляйзена; 4 - термометр; 5 - холодильник Либиха; 6 - алонж; 7 - приёмник; 8,9 - штатив
Перед началом проведения перегонки проверяли целостность всех элементов установки. Удостоверившись в целостности установки, подавали охлаждающую воду в холодильник снизу вверх, чтобы заполнение рубашки холодильника было полным. Снимали термометр и с помощью воронки заливали перегоняемую воду в колбу. Затем возвращали термометр на место и включали нагрев.
После включения нагрева ожидаем, когда жидкость начнет закипать. Исходная жидкость начала закипать при 87 °С, затем температура поднялась до 92 °С и эта температура сохранялась на протяжении всего процесса. В ходе работы обязательно проверяли наличие охлаждающей воды в холодильнике. Перегонку проводили до тех пор, пока в колбе с перегоняемой водой не осталось несколько сантиметров жидкости.
После окончания процесса выключали нагрев и ждали охлаждения всех элементов установки. После полного охлаждения выключали подачу охлаждающей воды в холодильник и разбирали установку.
Для изучения влияния концентрации дейтерия в воде на УЭП эксперименты проводили на эталонной установке входящую в состав государственного первичного эталона УЭП ГЭТ 132-2018 [4]. Эталон был создан в 90-х годах на базе ведущего метрологического института ФГУП «ВНИИФТРИ». Структурная схема установки представлена на рис. 2.
Рис. 2 Структурная схема эталона: КЯ -кондуктометрическая ячейка, ПТС - платиновый термометр сопротивления, КТ - рабочая камера прецизионного термостата
Воспроизведение единицы осуществляется измерением УЭП раствора, с помощью контактной двухэлектродной кондуктометрической ячейки методом замещения на переменном токе. При воспроизведении единицы, (поверки или калибровки жидкости по УЭП) рабочая камера термостата заполняется теплоносителем (дистиллированной водой), в ней размещается кондуктометрическая ячейка, заполненная исследуемым образцом жидкости. Термостат обеспечивает поддержание заданной температуры. Производят измерения УЭП жидкости и измерения температуры. Полученные значения заносятся в протокол измерений УЭП жидкости. Для диапазона УЭП от 0,0001 до 0,1 См/м применяется двухэлектродная контактная
кондуктометрическая ячейка, постоянная которой определяется измерениями при заполнении её жидкостью, УЭП которой была предварительно измерена с помощью ячейки с кварцевым цилиндром для значений от 0,1 до 10 См/м. Подбирая оптимальные параметры напряжения подаваемого на кондуктометрическую ячейку, погрешность поправки на реактивную составляющую импеданса, можно сделать малой.
При Rl< Яя< Я2; где: Rя - сопротивление кондуктометрической ячейки, Rl и R2 -сопротивление используемых для сравнения резисторов, ввиду их малой реактивности считается чисто активным. По формуле:
рассчитывается сопротивление жидкости. Первые два слагаемых это формула линейной интерполяции
с помощью, которой рассчитывается электрическое сопротивление ячейки. Здесь и и
представляют собой измеренные напряжения на ячейке и резисторах сравнения. Третье слагаемое сумма всех поправок, учитывающая реактивные составляющие полного сопротивления ячейки, сопротивление подводящих проводов, изменения объема проводника в зависимости от температуры. Составляющие этой суммы определяются предварительным анализом с учетом специфики используемой жидкости и конструктивных особенностей установки.
Окончательно значение УЭП раствора электролита, залитого в ячейку, получают по формуле:
А
эе —
И
(2)
В начале основного эксперимента была проведена апробация термостата.
Экспериментальные данные представлены на рис. 3.
Рис.3 Изменение температуры в ходе эксперимента
Как видно из представленных данных, отклонение температуры от заданной не превышало 0,02 °С. Были проведены эксперименты для различной концентрации тяжелой воды (Сб2о=6,09 %; 12,11 %; 24,03 %), а так же природной воды. Результаты эксперимента представлены на рис. 4 и в табл. 1 и 2.
0,0021 0,002 0,0019 0,0013 0,0017 0,001 й 0,0015 0,0014 0,0013 ^ 0,0012 5 0,0011 аГ о,оо1 0,0009 0,0008 0,0007
о,ооой
0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 о 2
24,03*4
,03%
12,
12,11%
0,00157%
-УЭП
-плотность 0^0015794
1,076 1,024 1,022 1,020
1.013 1,016
1.014
1,0)2 ^ I
1,010 £
1гооз £
1,006
1,004
1,002
1£00
0,993
0.99Ё
0,994
1,000 22,000 23,000 24,000 25,000 26,000 27,000 2^000 29,000 30,000
I, 'С
Рис. 4 Зависимость УЭП и плотности от концентрации дейтерия и температуры
0,992 31,000
Таблица 1. Зависимость УЭП от концентрации дейтерия и температуры
Концентрация дейтерия в воде ш*, См/м
22 °С 25 °С 30 °С
0,00157 % 1,76751-10-4 ± 0,0002 1,95881-10-4 ± 0,0002 2,18826-10-4 ± 0,0002
6,09 % 9,00577-10-4 ± 0,0002 9,65706-10-4 ± 0,0002 1,06151-10-3 ± 0,0002
12,11 % 1,18596-10-3 ± 0,0002 1,27313-10-3 ± 0,0002 1,38995-10-3 ± 0,0002
24,03 % 1,17720-10-3 ± 0,0002 1,83973-10-3 ± 0,0002 2,03419-10-3 ± 0,0002
*- измерения проводились во ФГУП «ВНИИФТРИ»
Таблица 2. Зависимость плотности от концентрации дейтерия и температуры
Концентрация дейтерия в воде р**, г/см3
22 °С 25 °С 30 °С
0,00157 % 0,99777 ± 0,0043 [5] 0,99705 ± 0,0043 [5] 0,99565 ± 0,0043 [5]
6,09 % 1,00429 ± 0,00002 1,00343 ± 0,00007 1,00177 ± 0,00004
12,11 % 1,01071 ± 0,00001 1,00999 ± 0,00005 1,00833 ± 0,00006
24,03 % 1,02349 ± 0,00001 1,02278 ± 0,00004 1,02128 ± 0,00006
** - измерения выполнены на оборудовании ЦКП им. Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева) в рамках гранта Минобрнауки РФ № 13.ЦКП.21.0009
Как видно из полученных данных различия УЭП между тяжелой водой и природной значительное. Определение данного отклонения позволит оценить реальное значение УЭП тяжелой воды при проведении поверки рабочих средств измерений УЭП, что позволит снизить риск ошибочных измерений.
Далее представляется интерес сравнить разницу изменения УЭП с изменением плотности тех же проб. Данные по определению плотности в тяжелой воде представлены в табл.2.
Заключение
Исходя из представленных данных, можно увидеть, что изменение УЭП и плотности носит одинаковый характер, что подтверждает правильность полученных значений. В результате проделанной работы, удалось получить зависимость удельной электрической проводимости воды с измененным изотопным составом по дейтерию, в диапазоне концентраций от 6,09 до 24,03 %, что позволит использовать эти результаты при проведению работ по созданию мер передачи УЭП и проведению работ по совершенствованию Государственного первичного эталона единицы удельной электрической проводимости жидкостей ГЭТ 132-2018, в части расширения диапазона значений до 1-10-4 См/м.
Авторы выражают благодарность заведующей кафедрой технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д.И. Менделеева Растуновой И.Л. за проведение анализа концентрации дейтерия в воде и коллективу ЦКП им. Д.И. Менделеева за предоставление оборудования для измерения плотности.
Список литературы:
1. Андреев Б.М., Зельвенский Я. Д., Катальников С. Г. Тяжелый изотопы водорода в ядерной технике: Учебное пособие лдя вузов / — М.: ИздАТ, 2000. - 344 с.
2. Перевезенцев А.Н., Розенкевич М.Б., Субботин М.Л. Концепция топливного цикла токамакаигнитор // ВАНТ Сер. Термоядерный синтез, т. 41, вып. 1, 2018. С. 83-89.
3. Пучкова, Е. В. Ядерная химия. Избранные главы : учебник для вузов / - 2-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2021. - 192 с.
4. Овчинников Ю.А. Государственный первичный эталон единицы удельной электрической проводимости жидкостей в части диапазона от 1-10-3 до 10 См/м ГЭТ 132-99 // Российская метрологическая энциклопедия, 2015. С. 404405.
5. ГСССД 2-77 Вода. Плотность при атмосферном давлении и температурах от 0 до 100°С. М.: Издательство стандартов, 1978 — 6 с.
