CC BY
81
УДК 54.062:54.027
В.С. Глазунова*, П.С. Мосеев, А.Ю. Чеботов, М.Б. Розенкевич
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: blacklee@mail.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ДЕЙТЕРИЯ В ВОДЕ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ
Аннотация
В статье описана разработанная методика определения содержания дейтерия и протия в воде с использованием ее инфракрасных спектров в широком диапазоне концентраций. Найдена линейная зависимость оптической плотности, определенной при волновом числе 2988,8 см-1 от концентрации протия в воде в диапазоне концентраций 15 - 80 ат.%.
Ключевые слова: Дейтерий, инфракрасные спектры, дейтерий содержащая вода, изотопный анализ.
Метод инфракрасной спектроскопии основан на использовании молекулярных абсорбционных колебательных спектров воды. Он удобен для проведения изотопного анализа, так как является точным, простым, быстрым и не требует тщательной химической очистки пробы перед анализом. Существуют отработанные методики проведения анализа для областей низкого (0,1 - 2,0 мол.% D2O) и высокого (99,0 - 99,9 мол.% D2O) содержания дейтерия [1,2], однако в промежуточной области эти методики не работают из-за взаимного наложения полос поглощения различных изотопомеров воды. Тем не менее, в работе [3] были представлены результаты исследования, показавшего наличие так называемой особой точки, в которой зависимость логарифма коэффициента пропускания от атомной доли протия становится линейной во всём измеряемом диапазоне концентраций. Эта особая точка отвечает волновому числу в спектре воды: V = 2988,8 см-1.
В РХТУ им.Д.И.Менделеева на кафедре технологии изотопов и водородной энергетики на приборе была проведена работа, позволившая подтвердить линейный характер данной зависимости в диапазоне концентраций 15-80 мол.% D2O. Измерения проводили на приборе ИКС-14 при использовании флюоритовой кюветы с толщиной поглощающего слоя 0,015 мм. Калибровку развертки прибора для нахождения в ней показаний барабана
(Ы), соответствующего полосе поглощения при волновом числе и=2998,8 см-1, проводили с использованием стандартного спектра полистирола. Из полученной линейной зависимости Ы-£(и) было найдено, что волновому числу 2988,8 см-1 соответствует N=12,42. Все последующие измерения проводили при этом значении N. При расчете величины оптической плотности (А) учитывали поглощение пустой кюветы. Таким образом, значение А рассчитывали по уравнению:
А_2988,8=1§(Тпустой кюветы/Ткювета+вода) (1)Для построения калибровочного графика весовым методом с использование тяжелой воды с концентрацией дейтерия 99,5 ат.% и природной воды, содержанием дейтерия в которой пренебрегали, были приготовлены 7 растворов с различной концентрацией дейтерия. Для контроля концентрацию дейтерия в этих растворах проверяли с использованием метода атомной эмиссионной спектроскопии по На-линии серии Бальмера на приборе ДФС-8-3 [2]. Расхождение в расчетных и экспериментально измеренных концентрациях дейтерия не превышали 3%.
Измерения величин А для калибровочных проб на приборе ИКС-14 проводили трехкратно с промежутком времени более 2-х недель. Результаты этих измерений приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты измерения оптической плотности калибровочных растворов при V = 2988,8 см-1
на приборе ИКС-14. Толщина поглощающего слоя кюветы 0,015 мм
Концентрация дейтерия в пробе, ат.доля 0,798 0,585 0,502 0,316 0,246 0,156 0,125
Концентрация протия в пробе, ат. доля 0,202 0,415 0,498 0,684 0,754 0,844 0,875
А 23.04.2015 0,17 0,40 0,48 0,67 0,75 - 0,93
06.05.2015 0,21 0,45 0,53 0,71 0,83 0,91 -
14.05.2015 0,27 0,47 0,56 0,71 0,80 0,96 -
Из приведенных в таблице данных видно, что наибольший разброс экспериментальных данных наблюдается при высокой концентрации дейтерия: различие в величинах А для пробы с [Э]=79,8 ат.% -около 20%. Для всех остальных концентраций
дейтерия расхождение в величинах А существенно меньше.
На рис. 1 все полученные экспериментальные данные представлены в графическом виде.
1
0,9
0,8
<
-C 0,7
и
I ь 0,6
ц
с 0,5
га
и 0,4
т
ь с 0,3
О
0,2
0,1
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 концентрация протия, ат.доля
0,8
0,9
Рис. 1. График зависимости A = f (Cн2o)
Полученные данные обработаны по методу Таким образом, проведенная работа позволила
наименьших квадратов. Обработка показала, что все получить метод определения концентрации дейтерия
экспериментальные точки ложатся на одну прямую с в воде в широком диапазоне концентраций с
коэффициентом корреляции Я2=0,978. Итоговое погрешностью, не превышающей 10%. уравнение полученной калибровки А = (0,0105 9 ± 0,0003о) • Сн2о.
Глазунова Валерия Сергеевна студентка группы Ф-42 РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Мосеев Павел Сергеевич ведущий инженер, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Чеботов Александр Юрьевич ведущий инженер, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Розенкевич Михаил Борисович д.х.н., заведующий кафедрой технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
0
1
Литература
1. Мюллер Г., Майерсбергер К., Шпринц Х. Специальные методы анализа стабильных изотопов. М.: Атомиздат, 1974. С. 372-409.
2. Жаворонкова К.Н., Магомедбеков Э.П, Розенкевич М.Б. Физико-химические методы анализа изотопов и особо чистых веществ. Лабораторный практикум. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева.
2002. С. 44-57.
3. Воронина Т.В., Дрожжин М.Ю. Изотопный анализ тяжёлой воды в широком диапазоне концентраций методами инфракрасной спектрометрии // Проблемы и перспективы развития химического и радиохимического контроля в атомной энергетике: тезисы докл. Третьего научн. совещ.(Сосновый Бор, 13-15 сент. 2007 г.). - Сосновый Бор, 2007. - С. 23-24.
Glazunova Valeriya Sergeevna*, Moseev Pavel Sergeevich, Chebotov Aleksandr Yuryevich, Rozenkevich Mihail Borisovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: blacklee@mail.ru
DETERMINATION OF DEUTERIUM CONTENT IN WATER BY INFRARED SPECTROSCOPY IN A WIDE CONCENTRATION RANGE
Abstract
The article describes a method of determination of deuterium and protium content in water using its infrared spectra in a wide range of concentrations. A linear dependence of the absorbance determined at a wavenumber 2988.8 cm-1 from the protium concentration in water in a concentration range of 15 - 80 at.%.
Key words: Deuterium, IR spectrum, deuterium containing water, isotopic analysis.
