ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУХОГО ОСТАТКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО МИКРОВЗВЕШИВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 542.3

РО!: 10.25206/1813-8225-2020-173-99-102

Л. г. ЗАВОДОВСКИЙ

Сургутский государственный университет Ханты-Мансийский автономный округ — Югра,

г. Сургут

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУХОГО ОСТАТКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО МИКРОВЗВЕШИВАНИЯ

Сухой остаток воды с большой полнотой характеризует ее качество, так как содержит все примеси, в том числе и нелетучие органические вещества. Поэтому масса сухого остатка может характеризовать глубину очистки питьевой воды и является важным показателем ее качества. В настоящее время этот параметр определяется гравиметрическим методом. Определение массы сухого остатка этим методом требует значительного времени для проведения анализа и использования большой массы вещества. Этих недостатков лишены кварцевые микровесы, чувствительным элементом которых является кварцевый пьезорезонатор. Целью данной работы является оценка возможности использования метода пьезокварцевого микровзвешивания для экспресс-анализа качества питьевой воды. Применение этого высокочувствительного к массе метода (10-8—10-9 г) позволяет существенно уменьшить массу используемой для опыта воды и, соответственно, время проведения анализа, которое определяется временем испарения вещества. Для выполнения опытных исследований был создан экспериментальный модуль на основе кварцевого пьезорезонатора. С помощью калибровочных измерений определялся массочувствительный коэффициент микровесов. Для заданных условий эксперимента (температура 20 °С, давление 105 Па) он равен С=(9,5+0,5) 10"' г/Гц. Для оценки возможности практического использования метода пьезоквар-цевого микровзвешивания были проведены исследования различных образцов питьевой воды и выполнен анализ полученных результатов. На основании опытных данных был рассчитан параметр Х, который характеризует массу сухого остатка в литре воды. В ходе выполнения опытных исследований было установлено, что используемая в эксперименте водопроводная вода по величине параметра Х является оптимально минерализованной, а ее очистка с помощью бытового фильтра незначительно уменьшает количество сухого остатка. При кипячении воды часть растворенных в ней веществ выпадает в осадок, но ее минерализация остается удовлетворительной. В процессе дистилляции величина сухого остатка значительно уменьшается и вода становится слабоминерализованной. Полученные в работе результаты согласуются с известными опытными данными. Таким образом, метод пьезокварцевого микровзвешивания можно использовать для определения сухого остатка питьевой воды при оценке ее качества в различных технологических процессах.

Ключевые слова: оценка качества воды, степень очистки, сухой остаток воды, пьезокварцевое микровзвешивание.

Одним из важнейших показателей качества питьевой воды является количество растворенных в ней веществ. К ним относятся минеральные неорганические соли кальция и натрия, бикарбонаты, хлориды, сульфаты и различные нелетучие органические соединения. При испарении воды эти вещества остаются на поверхности сосуда в виде так называемого сухого остатка. Вода с его повышенным содержанием характеризуется неприятным вкусом и при использовании ее в быту приводит к образованию нежелательного осадка на различных поверхностях. Кроме того, высокое содержание сухого остатка может указывать на присутствие в воде ионов токсичных металлов. Вода с низким содержа-

нием сухого остатка также может быть неприятна на вкус и небезопасна при постоянном употреблении. Следовательно, определение и регулирование величины сухого остатка является жизненно необходимым процессом. Предельно допустимая концентрация сухого остатка (ПДК) в питьевой воде составляет 1000 мг/л.

Воду с сухим остатком свыше 1000 мг/л называют минерализованной, до 1000 мг/л — пресной. Воду, содержащую до 50—100 мг/л, считают слабоминерализованной, 100 — 300 мг/л — удовлетворительно минерализованной, 300 — 500 мг/л — оптимальной минерализации и 500—1000 мг/л — повышенно минерализованной [1].

Определение сухого остатка питьевой воды в настоящее время производится гравиметрическим методом [2]. Этот метод основан на измерении веса высушенного остатка после выпаривания пробы воды объемом 250 — 500 мл. Взвешивание выполняется на аналитических весах. Определение этим методом величины сухого остатка весьма длительно (2 — 3 часа) и трудоемко. Точность определения в среднем составляет 0,1—0,2 %. Поэтому метод, в основном, используется для анализа проб воды с массовой долей сухого остатка больше 0,1 %. Возможности метода не позволяют применять его для контроля технологического процесса [3].

Если уменьшить погрешность измерения массы до 10-8 — 10-9 г, то можно существенно уменьшить количество исследуемой воды (до 0,01 г) и время анализа (10—15 мин), одновременно повысив точность определения до 0,001 %. Такая возможность появляется при использовании для определения сухого остатка жидкости метода пьезокварцевого микровзвешивания [4]. Этот метод применяется при изучении процессов, сопровождающихся изменением массы вещества на поверхности пластины кварцевого резонатора, изменение частоты колебаний которого А/ зависит от величины массы Аш [5]. В работе [6] было показано, что

м = {02Ат

Р N[S

Рис. 1. Блок-схема измерительного модуля для экспресс-анализа сухого остатка воды

1 — кварцевый резонатор;

2 — измерительная ячейка;

3 — кварцевый генератор;

4 — источник постоянного тока;

5 — опорный генератор; 6 — смеситель; 7 — частотомер

(1)

где /0 — собственная частота колебаний резонатора; р — плотность материала резонатора (кварц); 5 — площадь поверхности резонатора, N — частотный коэффициент.

Пропорциональная зависимость Аш от А/ подтверждается экспериментально путем градуировки микровесов по электронным весам при фиксированных значениях температуры, давления, характера распределения вещества на поверхности резонатора и др. [7].

Возможности этого метода позволяют исследовать различные физические процессы, которые могут происходить на поверхности кварцевого пье-зорезонатора. Метод пьезокварцевого микровзвешивания использовался для изучения конденсации воды из пара и фазового перехода в тонкой пленке [8], а также для исследования процесса адсорбции газов [9]. Кроме этого, пьезокварцевое микровзвешивание применяется для определения толщины пленок вещества и нахождения концентрации веществ в растворах [5].

Экспериментальная установка и методика измерений. Экспериментальные исследования проводились с помощью измерительного модуля, блок-схема которого представлена на рис. 1.

Для проведения опытных исследований использовался кварцевый резонатор 1 АТ среза с частотой /0 = 6,3 МГц, который размещался в измерительной ячейке 2. На его основе был собран кварцевый генератор 3 [10], питание которого производилось от источника постоянного тока 4. Для определения изменения частоты А/ использовался опорный генератор 5. Сигналы с кварцевого и опорного генераторов подавались на вход смесителя 6, разностный сигнал с которого с частотой А/ фиксировался частотомером 7.

Анализируемая жидкость (питьевая вода) наносилась малой калиброванной каплей массой ш0=11,5+0,5 мг на поверхность резонатора в его центральную часть шприцом с помощью капил-

Лди,мкг

Рис. 2. Калибровочный график зависимости А/ от Аш

лярной иглы. В течение нескольких минут вода испарялась, и сухой остаток локализовался в виде пятна определенного размера. Частота генератора уменьшалась до значения /. Когда значение частоты стабилизировалось, выполнялись дальнейшие измерения. Погрешность измерения частоты составляла + 1 Гц. Ее изменение определялось как разность частот А/ = /0 — /. Это значение можно связать с массой Аш сухого остатка жидкости, оставшегося после ее испарения на поверхности резонатора.

Если эта масса распределена на поверхности равномерно, то ее величину можно определить с помощью выражения (1). Опыт показывает, что при испарении воды слой сухого остатка образуется с различной толщиной в разных его местах. Поэтому соотношение (1) в данном случае использовать не рекомендуется [11]. Следовательно, для получения корректных результатов связь между Аш и А/ необходимо определять опытным путем. Экспериментальная зависимость, как следует из теории, должна быть линейной. В данной работе опытным путем исследовалась калибровочная зависимость:

Аш= С, А/,

(2)

где С — массочувствительный коэффициент микровесов. Значение этого параметра определяется в результате анализа опытных данных. Для проведения калибровочного эксперимента использовался водный раствор ЫаС1. График зависимости (2) представлен на рис. 2. Для заданных условий эксперимента (температура 20 °С, давление 105 Па) мас-

J

\ Afo 1 ¡TT

Рис. 3. Зависимость А/ от времени испарения t капли водопроводной воды

Таблица 1

Величина сухого остатка для различных образцов питьевой воды

№ образца Df, Гц Dm, мкг Х, мг/л

1 640 6,11 530

2 520 4,94 430

3 200 1,90 219

4 80 0,76 66

сочувствительный коэффициент микровесов равен С/=(9,5+0,5) 10-9 г/Гц.

После нанесения капли воды на поверхность резонатора происходит ее испарение и фиксируется уменьшение значения разности частот А/. Этот процесс показан на рис. 3.

Испарение воды происходит в течение нескольких минут, и разность частот перестает изменяться. Это значение А/ост определяет сухой остаток воды, масса которого рассчитывается с помощью соотношения (2). Температура среды, в которой находится пьезокварцевый резонатор, влияет на значение частоты измерительного генератора. Для резонаторов АТ среза температурный коэффициент частоты в интервале 20 — 30 °С близок к нулю. Поэтому значение А/ост определялось при температуре 20 °С.

Экспериментальные результаты и их анализ. Для оценки возможности практического использования метода пьезокварцевого микровзвешивания были выполнены измерения содержания сухого остатка в различных образцах питьевой воды. Образец 1 — водопроводная вода, которая набиралась в лаборатории из крана. Образец 2 — водопроводная вода, прошедшая очистку бытовым фильтром типа «Барьер». Образец 3 — очищенная бытовым фильтром и прокипяченная вода. Образец 4 — дистиллированная вода. Полученные результаты представлены в табл. 1. На основании опытных данных был рассчитан параметр Х, который характеризует массу сухого остатка в литре воды. Погрешность определения этого параметра составляла около 8 %.

Анализ данных, полученных методом пьезоквар-цевого микровзвешивания, позволяет утверждать (по значению параметра Х), что питьевую воду в водопроводе г. Сургута можно отнести к оптимально минерализованной (300 — 500 мг/л). Фильтр убира-

ет из воды часть примесеи, уменьшая массу сухого остатка, но вода остается оптимально минерализованной. При кипячении часть веществ выпадает в осадок, а ее минерализация становится удовлетворительной (100 — 300 мг/л). Дистилляция выводит из воды большое количество растворенных в ней веществ и вода становится слабоминерализованной (50-100 мг/л).

При постановке эксперимента не полностью выполнялись жесткие условия стандартного гравиметрического метода, в котором получение и обработка сухого остатка происходит в несколько этапов. Например, в этом методе предусмотрена просушка сухого остатка при 100-120 °С, что приводит к улетучиванию различных органических соединений и уменьшению его массы [2]. Поэтому, сравнивать полученные гравиметрическим методом данные с результатами настоящей работы необходимо с учетом этих условий.

Заключение. Гравиметрический метод определения сухого остатка воды, являясь точным и надежным методом, широко используется при проведении наиболее ответственных и требующих точности аналитических работах. Но аналитический процесс является трудоемким и длительным.

Кроме этого, метод обладает невысокой чувствительностью. Этих недостатков лишен метод пьезо-кварцевого микровзвешивания. Результаты данной работы позволяют утверждать, что метод пьезо-кварцевого микровзвешивания можно использовать для определения сухого остатка воды. Данная методика предлагается для экспресс-анализа качества питьевой воды в различных технологических процессах.

Библиографический список

1. Муравьев А. Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. СПб.: Крисмас + , 2004. 146 с.

2. ГОСТ 18164-72. Вода питьевая. Метод определения содержания сухого остатка. Контроль качества воды. М.: Стан-дартинформ, 2010. 25 с.

3. Радион Е. В. Классические методы анализа: практическое применение. Минск: Изд-во БГТУ, 2013. 76 с.

4. Заводовский А. Г., Заводовская О. В. Определение сухого остатка жидкости методом пьезокварцевого микровзвешивания // Новые информационные технологии и менеджмент качества: Междунар. форум, 28 марта-4 апреля 2009 г. Египет, Шарм-эль-Шейх, 2009. С. 172-174.

5. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатом-издат, 1989. 272 с.

6. Sauerbrey G. G. Vervendung von Schingquarzen zur Wagung dunner Schiehten und zur mikrowagung // Zeitschrift für Physik a Hadrons and Nuclei. 1959. Bd. 155. S. 206-221. DOI: 10.1007/BF01337937U.

7. Альтшулер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы. Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1984. 232 с.

8. Заводовский А. Г., Заводовская О. В. Льдообразование из пара на охлаждаемой подложке в атмосфере фреона // Сб. науч. тр. СурГУ. Сургут: Изд-во СурГУ, 1996. Вып. 2. С. 87-89.

9. Заводовский А. Г., Заводовская О. В. Экспериментальные исследования адсорбции углеводородных компонент в пластовых условиях // Сб. науч. тр. СурГУ. Сургут: Изд-во СурГУ, 1995. Вып. 1. С. 137-145.

10. Милонов М. В. Разработка системы измерений концентраций химических соединений в жидкости массочувстви-тельными пьезокварцевыми сенсорами: дис. ... канд. техн. наук. Липецк, 2004. 128 с.

11. Николаев В. Т. Микровесы с кварцевым резонатором в технологии микроэлектроники. Обзоры по электронной технике. М.: ЦНИИ Электроника, 1973. Вып. 1 (74). 30 с.

ЗАВОДОВСКИЙ Александр Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), доцент кафедры экспериментальной физики. БРНЧ-код: 7560-5363, АиШотГО (РИНЦ): 323507

Адрес для переписки: [email protected]

Для цитирования

Заводовский А. Г. Определение сухого остатка питьевой воды методом пьезокварцевого микровзвешивания // Омский научный вестник. 2020. № 5 (173). С. 99-102. БОН 10.25206/1813-8225-2020-173-99-102.

Статья поступила в редакцию 02.09.2020 г. © А. Г. Заводовский