6.8. Измерение и контроль концентрации и уровня красителей и рабочих растворов

6.8.1. Особенности производственного контроля концетрации и уровня красителей и рабочих растворов

Технические красители и соли, поступающие в красильно-отделочное производство, не являются химически чистыми веществами. Это обстоятельство следует учитывать при моделировании производственного крашения в лабораторных условиях и при решении обратной задачи – переносе результатов лабораторного эксперимента в производство. Наличие неконтролируемых примесей в технических красителях может существенно изменять их свойства, в том числе активность, что является одной из причин расхождения результатов крашения у разных исследователей даже при использовании идентичной аппаратуры.

Технические красители и соли выпускают в виде порошков (пылящие и непылящие), гранул, паст, жидких форм.

Примеси, присутствующие в выпускных формах технических красителей, представляют собой совокупность промежуточных продуктов синтеза, непрореагировавших веществ, добавок (оттеночные красители), вносимых для подгонки оттенка красителя под стандарт, солей, выполняющих функции средоустановителей. Гидрофобные красители, поступающие в виде порошков и паст, содержат большое количество смачивателей, диспергаторов, антифризов. Минимальное количество примесей содержит жидкая выпускная форма, поэтому при ее использовании получают более ровные окраски, чем при применении других форм.

При жидкостной обработке и крашении материала в настоящее время существует два принципа (алгоритма) управления процессами: следящее терморегулирование по жесткой температурно-временной программе при периодической обработке и программное дозирование подкрепляющего раствора при непрерывной обработке.

Несовершенство этих алгоритмов управления проявляется в отсутствии текущей достоверной информации (обратной связи) о достижении цели управления, т.е. об изменении концентрации раствора в ванне. Это приводит к тому, что процесс обработки не наблюдаем по важнейшему технологическому параметру, в значительной мере определяющему результат крашения или отделки текстильных материалов.

В то же время, зная начальное состояние физико-химической системы «раствор – текстильный материал» и ее последующие переходные состояния (кинетику фиксации), можно получить математическую модель процесса, в целях ее использования для управления процессом. Наличие модели позволяет прогнозировать ход крашения и его конечный результат.

Известно также, что в процессе данной технологической операции происходит понижение уровня рабочих растворов, контроль которого также необходим.

В настоящее время для контроля указанных технологических параметров используются первичные преобразователи, построенные на использовании различных физических принципах, краткий анализ которых приводится ниже.

На примере контроля указанных технологических параметров покажем возможность использования для решения данной задачи одного ОЭП, построенного с использованием плоского световода.

6.8.2. Методы контроля концентрации рабочих растворов

Сложности инструментального контроля концентрации в текстильной промышленности обусловлены тем, что рабочие растворы загрязнены механическими примесями (пух, нити, инкрусты), многокомпоненты, вспенены и имеют разную температуру. Кроме того, имеются трудности при размещении в машинах датчиков, так как емкости заняты движущимся материалом, каретками для патронов с пряжей и т.д.

Концентрацию раствора контролируют с помощью кондуктометрического, денситометрического, оптического, радиоизотопного методов или титрования при прямом способе регулирования, а также косвенным способом (без контроля концентрации).

Кондуктометрический метод контроля концентрации основан на зависимости удельной электрической проводимости раствора от его концентрации. Эта зависимость имеет экстремум. Для всех растворов электролитов эквивалентная проводимость возрастает с разбавлением из-за увеличения степени диссоциации. Предельное значение эквивалентной проводимости соответствует бесконечному разбавлению, то есть полной диссоциации.

В многокомпонентных растворах электролитов электрическая проводимости подчиняется закону аддитивности. Это означает, что кондуктометрический метод не является избирательным и применяется в основном для измерения концентрации бинарных и псевдобинарных растворов.

На электропроводность сильно влияет температура, изменяющая степень диссоциации, подвижность ионов и вязкость. В общем случае с ростом температуры электропроводность проводников второго рода увеличивается.

Известны контактные и бесконтактные, высокочастотные и низкочастотные, постоянного и переменного тока кондуктометры. Контактный метод обеспечивает высокую точность измерения, непосредственный отсчет измеряемой величины, относительно простой способ реализации. Недостатком являются поляризационные явления на электродах, а также неизбирательность, что ограничивает его использование в отделочном производстве, так как часто используются многокомпонентные растворы.

Денситометрический метод контроля концентрации основан на измерении плотности растворов. Метод можно реализовать на основе поплавковых (ареометрических), весовых (пикнометрических), гидростатических, ультразвуковых и радиоизотопных датчиков плотности растворов.

Метод применяется для растворов, в которых существует однозначная зависимость между плотностью и концентрацией (отделочные растворы, растворы на химических станциях).

Денситометрами общего назначения возможно измерение плотности жидкостей от 700 до 2000 кг/м³. После измерения плотности по таблицам или графикам определяют концентрацию раствора, соответствующую данной плотности.

Недостатком метода являются неизбирательность, т.е. невозможность использования его для многокомпонентных растворов, а также зависимость плотности от температуры измеряемой среды.

Ультразвуковой (акустический) метод определения концентрации основан на измерении скорости распространения в растворах звуковых волн. Скорость зависит от физических свойств среды, в которой они распространяются, и от явлений, возникающих при их распространении. В жидкостях распространяются только продольные волны. В большинстве случаев скорость распространения звуковых волн не зависит от частоты.

Преимущества акустического метода – бесконтактность, независимость показаний от прозрачности среды, взрыво- и пожаробезопасность, высокая чувствительность.

Недостатками являются зависимость показаний от температуры, сложность измерительных схем.

Оптические методы имеют высокую чувствительность, точность измерения и бесконтактность.

Действие анализаторов основано на зависимости оптической плотности, коэффициентов преломления и отражения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

В абсорбционном оптическом методе используется весь спектр электромагнитных колебаний. Метод заключается в измерении ослабления (или погашения) электромагнитного излучения исследуемым веществом. Абсорбциометры, использующие электромагнитные излучения в видимой части спектра, называются колориметрами.

Фотоколориметрический метод основан на поглощении видимого излучения окрашенным анализируемым компонентом (или цветным продуктом реакции его со вспомогательным жидким реагентом).

Наибольшее распространение в красильно-отделочном производстве получили колориметры. Сущность данного метода заключается в том, что оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе. Однако прямо пропорциональная зависимость между оптической плотностью и концентрацией наблюдается не у всех растворов.

Перспективной разновидностью метода является магнитооптическое измерение, в котором для анализа используются оптические свойства исследуемой среды, помещенной в магнитное поле.

Рефрактометрический метод основан на зависимости показателя преломления от концентрации контролируемого раствора. Неотраженный свет, попадая из одной среды в другую, изменяет направление своих лучей, в результате чего преломляется. При переходе света из среды более плотной в среду меньшей плотности угол преломления больше, чем угол падения, и наоборот.

Преимущество рефрактометров, основанных на методе полного внутреннего отражения, заключается в возможности контроля концентрации непрозрачных жидкостей. Диапазон измерения рефрактометра зависит от параметров оптической и следящей системы.

Радиоизотопные методы анализа также применяют для контроля концентрации растворов. Обычно используют один из двух видов взаимодействия ядерных излучений с веществом – поглощение излучения веществом (плотномеры) или ионизацию вещества излучением (анализаторы состава).

В первом случае поток излучения - или -частиц проходит через слой контролируемой среды, ослабляется и измеряется детектором излучения (газоразрядным или сцинтилляционным счетчиком или ионизированной камерой).

Во втором случае поток первичного излучения вызывает в контролируемом объекте характерное для него вторичное излучения, регистрируемое детектором. Методы применимы для определения концентрации в двухкомпонентной смеси при условии, что атомные номера контролируемого и остальных компонентов существенно отличаются.

Основное преимущество радиоизотопных методов – бесконтактность, позволяющая контролировать концентрацию растворов, находящихся в закрытых сосудах, под давлением.

Титрование метод объемного анализа. По способу регистрации окончания реакции различают титрометры потенциометрические, кондуктометрические, фотометрические, нефелометрические и др.

При титровании концентрация преобразуется в эквивалентное количество титрующего вещества.

Основное преимущество этого метода – универсальность, недостатками являются необходимость титранта, специальное приготовление раствора, подача его в анализаторы.