CC BY
64УДК 532
Ю. Г. Абросимов
кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры ИТиГ Академии ГПС МЧС России
Хоанг Зань Бинь
адъюнкт Академии ГПС МЧС России
Yu. Abrosimov, Hoang Zan Bin
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ГЕЛЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛАМИДА «ПРАЕСТОЛ 2515»
Приведены результаты экспериментального исследования динамической и кинематической вязкости водных растворов геля на основе полиакриламида (ПАА) «Праестол 2515» в зависимости от концентрации ПАА и получены зависимости ц = f (C ) и v = f (C ).Определены зависимости удельной и приведённой вязкости от концентрации и получено значение характеристической вязкости.
Ключевые слова: динамическая вязкость, кинематическая вязкость, удельная вязкость, характеристическая вязкость, плотность, молекулярный вес, вискозиметр, температура.
DETERMINATION OF THE VISCOSITY OF AQUEOUS SOLUTIONS OF GEL ON THE BASIS OF POLYACRYLAMIDE «PRAESTOL 2515»
Results of experimental studies of dynamic and kinematic viscosity of aqueous solutions of gel based on polyacrylamide (PAA) «Praestol 2515» depending on the concentration of PAA and the dependences of ц = f(C ) and v = f(C ). The dependences of the density and the reduced viscosity of concentration and obtained a value of intrinsic viscosity.
Keywords: dynamic viscosity, kinematic viscosity, specific viscosity, intrinsic viscosity, density, molecular weight, viscometer, temperature.
Экспериментально установлено, что незначительное содержание в воде линейных высокомолекулярных полимеров при турбулентном течении ведет к уменьшению потерь напора в системах подачи воды. При анализе опытных данных по гидравлическому сопротивлению рукавных линий, по которым осуществляется подача раствора к месту тушения пожара, необходимо знание вязкости водного раствора полимера.
Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), даже сильно разбавленные, как правило, обладают большей вязкостью, чем растворитель. В разбавленных растворах ВМС находятся в виде отдельных крупных молекул, называемых макромолекулами. Поскольку молекулярная масса ВМС очень большая (105 107 ^м^), а размеры макромолекул имеют размер близкий к размеру
коллоидных частиц, растворы ВМС проявляют свойства, присущие коллоидным системам. Важнейшим свойством, характеризующим структуру раствора полимера, является вязкость, которая как для коллоидных растворов, так и для растворов ВМС зависит от концентрации вещества в растворе. Обычно пользуются понятием удельной вязкости цуд, которая показывает относительное увеличение вязкости раствора ВМС по сравнению с вязкостью растворителя:
цр-цв цр 1 1 m
Цуд =-=--1 = Цотн - 1 , (1)
уд цв цв отн
где ц - вязкость разбавленного раствора полимера (в работе «Праестол 2515»); цв - вязкость растворителя (воды); — = цотн - относительная вязкость.
цв
Вводят также параметр вязкости, который не был бы связан с концентрацией раствора. Для этого цуд относят к концентрации и называют эту величину приведенной вязкостью:
кг
где с, ^ - концентрация полимера в растворе.
Однако даже в разбавленных растворах столкновение клубков, длинные цепи гасящие турбулентность оказывают влияние на течение. Поэтому такие растворы характеризуют пределом приведенной вязкости при С^-0, который называется характеристической вязкостью ц:
M = lim^o ^ , (3)
где размерность [ц], ^з, т. е. размерность обратная размерности концентрации, как и размерность цпр.
На основе ПАА в России производится дешёвый, безвредный флокулянт «Праестол 2515»; ТУ 2216-001-40910172-98 представляющий собой порошок белого цвета труднорастворимый в воде в связи с сильным поглощением воды и образованием комков, что определяет сложности непосредственной дозировки полимера в поток воды. Поэтому предлагается предварительно готовить гель. Гель приготавливается следующим образом. При комнатной температуре (22 °С) в 1 л воды растворяется 5 г поваренной соли (NaCl) и 10 г порошка «Праестол 2515». Раствор тщательно перемешивается и выдерживается 35 мин. Разбавленные растворы геля готовились в бюретке, тщательно перемешивались и выдерживались в течение 10 мин для выравнивания концентрации полимера вследствие диффузии.
Исследование вязкости воды и водных растворов геля проводились на кафедре химии Академии ГПС МЧС России на автоматическом устройстве SVM 3000/C2 (stabinger viscosimeter) фирмы Anton Рааг (рис. 1). Этот вискозиметр отвечает всем требованиям стандарта Американского общества по испытанию материалов D7042. Устройство выдает данные по первой Ньютоновской динамической вязкости ц, Па^с, по кинематической вязкости v, м2/с, по плотности жидкости р, кг/м3.
Рис.1. Установка Anton Paar SVM 3000
Опытные данные и их обработка приведена в табл. 1. Все опыты проведены при температуре воды и растворов 22 °С. Для воды и для растворов в каждом опыте проводилось три измерения. Как видно из табл.1 отклонения в измеренных значениях имели место только начиная с третьего знака, т. е расхождения были менее одного процента измеренной величины.
Для воды дистиллированной и неочищенной водопроводной воды г. Москвы измеренные величины практически совпадают с известными данными других авторов [1].
При расчете цуд и цпр использовались средние значения по трем измерениям. Результаты этих расчетов представлены в графах 9 и 10 табл. 1.
Результаты определения вязкости воды и водных растворов геля полиакриламида «Праестол 2515» при t = 22 °С
Таблица 1
№ Масса ПАА в 1 л воды, г/л Концентрация ПАА с, кг/м3 масса геля на 1л воды, г № опыта ц'103 МПа'С У106, м2/с р, кг/м3 Муд М /с уд'Ч м3/кг
Дистиллированная вода Опыт 1 0,9539 0,9639 991,20
1 0 0 Опыт 2 0,956 0,9644 991,10
Опыт 3 0,9546 0,964 991,20
Ср. знач. 0,9548 0,9641 991,17
Опыт 1 0,9745 0,9776 996,80
Водопроводная Опыт 2 0,9683 0,9712 997,10
2 0 0
вода Опыт 3 0,9703 0,9737 996,60
Ср. знач. 0,9711 0,9742 996,83
Опыт 1 1,0398 1,0423 997,39
3 0,01970 0,01970 2 Опыт 2 1,0393 1,0419 997,40
Опыт 3 1,0401 1,0424 997,41
Ср. знач. 1,0397 1,0422 997,40 0,0707 3,534
Опыт 1 1,1449 1,1472 997,39
Опыт 2 1,1422 1,1463 997,42
4 0,04926 0,04926 5
Опыт 3 1,1415 1,1451 997,41
Ср. знач. 1,1429 1,1462 997,41 0,1769 3,538
Опыт 1 1,2115 1,2157 997,41
5 0,06897 0,06897 7 Опыт 2 1,2121 1,2152 997,39
Опыт 3 1,2116 1,2151 997,42
Ср. знач. 1,2117 1,2153 997,41 0,2478 3,540
Опыт 1 1,3154 1,3228 997,42
Опыт 2 1,3172 1,3107 997,39
6 0,09852 0,09852 10
Опыт 3 1,3123 1,3236 997,41
Ср. знач. 1,3150 1,3190 997,41 0,3541 3,541
Опыт 1 1,4138 1,4235 997,41
7 0,12808 0,12808 13 Опыт 2 1,4237 1,4231 997,39
Опыт 3 1,4179 1,4219 997,41
Ср. знач. 1,4185 1,4228 997,40 0,4607 3,544
Опыт 1 1,4897 1,4978 997,41
Опыт 2 1,4858 1,4867 997,42
О 0,14778 0,14778 15
Опыт 3 1,4869 1,4919 997,40
Ср. знач. 1,4875 1,4921 997,41 0,5317 3,545
Опыт 1 1,5529 1,5632 997,39
9 0,16749 0,16749 17 Опыт 2 1,5616 1,5617 997,41
Опыт 3 1,5549 1,5588 997,42
Ср. знач. 1,5565 1,5612 997,41 0,6028 3,546
Опыт 1 1,6402 1,6747 997,41
Опыт 2 1,6695 1,6681 997,39
10 0,19704 0,19704 20
Опыт 3 1,6702 1,6529 997,42
Ср. знач. 1,6600 1,6652 997,41 0,7094 3,547
Опыт 1 1,8223 1,8375 997,41
11 0,24631 0,24631 25 Опыт 2 1,8439 1,8349 997,41
Опыт 3 1,8314 1,8417 997,41
Ср. знач. 1,8325 1,8380 997,41 0,8871 3,548
Опыт 1 2,0063 2,0116 997,40
Опыт 2 2,0031 2,0109 997,40
12 0,29557 0,29557 30
Опыт 3 2,0058 2,0113 997,41
Ср. знач. 2,0051 2,0113 997,40 1,0647 3,549
Гель, неразбавленный водой Опыт 1 106,18 105,91 1002,50
13 10 10 Опыт 2 104,51 104,25 1002,50
Опыт 3 102,23 101,97 1002,60
Ср. знач. 104,31 104,04 1002,53
На рис. 2-4 представлены зависимости динамической вязкости, кинематической вязкости и плотности раствора от концентрации ПАА в воде при температуре 22 °С.
С, кг/м3 С, кг/м3
Рис. 2. Зависимость динамической вязкости Рис. 3. Зависимость кинематической вязкости
от концентрации ПАА «Праестол 2515» в воде от концентрации ПАА «Праестол 2515» в воде
Как видно из рис. 2 и рис 3. в диапазоне концентраций С = 0^0,3 кг/м3 эти зависимости удовлетворительно описываются линейными функциями:
ц = (3,448 С + 0,970) Ю"3, Па-с, V = (3,460 С + 0,973)10"6, -,
с
кг
где размерность [С ] , —
кг
Плотность растворов до концентраций 0,3 — практически не меняется, да и геля плотность возрас-
м3
тает менее чем на 0,3 %. Динамическая и, соответственно, кинематическая вязкости геля (С = 10 —) резко
м3
возрастают, что указывает на нелинейность зависимостей ц = 1 (С ) и V = 1 (С )при концентрациях ПАА С > 0,3 ^ .
м3
997,45
со
1 997,40
СР
997,35
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 С, кг/м3
Рис. 4. Зависимость плотности раствора от концентрации ПАА «Праестол 2515» в воде Отметим, что относительная вязкость раствора — возрастает в 2,1 раз по сравнению с вяз-
кг
костью воды при увеличении концентрации ПАА до С = 0,3 — и возрастает более, чем в
кг
100 раз для геля С = 10-^.
м3
На рис. 5 приведена зависимость удельной вязкости от концентрации, на рис. 6 - зависимость приведенной вязкости от концентрации ПАА в воде.
Рис. 6 позволяет получить значение характеристической вязкости для разбавленного раствора геля «Праестол 2515»:
[ц] = 3,535 5 ,
1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
3,55 ОС - 0,00С
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 С, кг/м3
о:
3,60
3,55
3,50
уд'
/С = 0,051 С + 3,5
35
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 С, кг/м3
Рис. 5. Зависимость удельной вязкости Рис. 6. Зависимость приведенной вязкости
от концентрации ПАА «Праестол 2515» в воде от концентрации ПАА «Праестол 2515» в воде
Измерение характеристической вязкости используется так же для определения молекулярной массы, поскольку реологические свойства раствора зависят от числа звеньев в цепи. В общем случае [8]:
[ц] = кхМ а,
где М- молекулярная масса, ки а - коэффициенты в этом уравнении (уравнение Марка - Куна -Хаувинка), которые для каждой пары полимер-растворитель должны предварительно определяться с использованием прямых методов измерения молекулярной массы (светорассеивание, ультраседиментция, осмометрия).
Для раствора ПАА в воде имеется соотношение:
[ц] = 3,2 х10-2х М0'7.
При полученном в работе значении характеристической вязкости молекулярный вес будет равен М= 16х106 кмоль/кг. В соответствии с паспортными данными для технического «Праестол 2515» молекулярный вес равен 16х106. Следует, однако, учитывать, что в паспорте даётся среднее значение молекулярного веса, которое можно считать оценочным, и таким образом совпадение значений М полученное в работе с паспортными данными, можно признать удовлетворительным и тем самым подтверждается достоверность определения характеристической вязкости.
Выводы
1. Получены новые данные по динамической, кинематической вязкости и плотности разбавленных растворов ПАА «Праестол 2515» и приведены зависимости для динамической и кинематической вязкости от концентрации полимера в воде.
2. Установлено, что в области малых концентраций (С < 0,3 полимера в воде эти зависимости линейны. Для геля (С = 10 ■кг) - вязкость резко возрастает.
3. Получена зависимость удельной вязкости раствора от концентрации полимера.
мз
4. Установлено значение характеристической вязкости [ц] = 3,535 —.
5. Определено значение молекулярного веса используемого промышленного образца «Праестол 2515».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВаргафтикН В Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Физмат-гиз, 1963г.
2. Куренков В. Ф., Баййдурдов Т. А., Мягченков В А. Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1988 г. - Т. 2. - С. 1194.
