Дослідження методів вимірювання вологості матеріалів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ  ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

 

 

 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ: “ Дослідження методів вимірювання вологості матеріалів”

 

 

Спеціальність

05.11.13 Прилади і методи контролю  та визначення складу речовин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                               Виконала:

Баранова О.С.

Науковий керівник:

Шевченко К.Л.

 

 

м.Київ-2013

 

 

Зміст

 

 

 

 

Вступ…………………………………...………………...…….…...………8

1. Форми і види зв’язку вологи з матеріалом………………….…….......4

2. Методи вимірювання вологості……………………………………......8

3. НВЧ методи вимірювання вологості………………………….……....18

Висновок ………………………………………………….….…................22

Список літератури........................................................................................23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

 

Вологість є одним  з обов'язкових  компонентів усіх живих організмів на землі, оточуючої нас біосфери, а також більшості матеріалів, які використовує людина. Зміст вологи  в навколишньому середовищі впливає на характер та інтенсивність біохімічних і фізико-хімічних процесів, які відбуваються в живих об’єктах. Від вологості залежить фізичні, хімічні, механічні і технологічні властивості значної частини  діелектричних матеріалів.

 Майже в усіх  галузях промисловості, в сільському господарстві, енергетиці і будівництві застосовуються  процеси сушіння і зволоження,   призначенні для зміни вологості матеріалів. Тому вимірювання вологості різних матеріалів і речовин займають важливе місце  в сучасній аналітичній вимірювальній техніці.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Форми і  види зв’язку  вологи з матеріалом.

Найбільш повна класифікація форм зв’язку вологи з матеріалом приводиться в роботі Ликова А.В.’’Теорія сушіння” [1]. В зв’язку з тим, що процес видалення рідини з матеріалу супроводжується порушенням зв’язку зі структурою цього матеріалу, на що витрачається певна енергія, була запропонована наступна класифікація форм зв’язку :

1) хімічний зв’язок;

2) фізико-хімічний зв’язок;

3) фізико-механічний зв’язок .

  Розглянемо визначення основних форм зв’язку води з матеріалом:

1)Хімічний зв’язок характеризується зв’язком в строго визначених молекулярних співвідношеннях (стехіометричний зв’язок); до нього відносять іонний зв’язок, який утворений в результаті  хімічної реакції, і молекулярний зв’язок з утворенням кристалогідратів. В процесі сушіння хімічно  зв’язана вода настільки міцно закріплена в об’ємі матеріалу, що при прийнятих температурах сушіння не видаляється.

2)Фізико-хімічний зв’язок існує в різних, не строго визначених співвідношеннях. До нього відносять адсорбційний зв’язок (зв’язок рідини в гідратних оболонках) і осмотичний зв’язок.

Адсорбційно-зв'язана  волога, особливо перший шар молекул - мономолекулярний шар, є найбільш міцно пов'язаний з речовиною. Наступні шари пов'язуються з речовиною менш міцно, енергія зв'язку зменшується, і властивості такої вологи наближаються до властивостей звичайної води. При утворенні мономолекулярного шару відбувається виділення теплоти адсорбції, це пов'язано зі зменшенням енергії поверхні. Відбувається стиснення обсягу (явище контракції - обсяг набряклого тіла менше суми обсягів матеріалу і поглиненої вологи).

Видалення цієї вологи при  сушінні пов'язано з додатковою витратою енергії на теплоту адсорбції і обов'язковим перетворенням води на пару.

Осмотична пов'язана волога. Ця волога відрізняється від адсорбційної тим, що з'єднання з матеріалом не супроводжується виділенням теплоти і зв'язок менш міцний. Висока розчинювальна  здатність води пояснюється дипольним характером її молекул та їх здатністю до утворення водневих зв'язків. Властивості водних розчинів залежать від сил взаємодії між молекулами води і розчинених речовин.

 Осмос - процес дифузії  розчинника через напівпроникну  мембрану під дією кінетичної енергії молекул. А оболонки  з'єднань, що входить до складу продукту, є напівпроникні. Дифузія розчинника (води) відбувається з області з більш високим парціальним тиском (меншій концентрації розчину) в бік меншого парціального тиску (більшої концентрації розчину). В результаті цього процесу виникає осмотичний тиск - сила, яка обумовлює дифузію молекул  .

 Для розчинів величина осмотичного тиску дорівнює:

 

                                                                                                 (1.1)                                                                                                                                                             

 

C- молярна концентрація розчину ;

R- універсальна газова стала (Дж/(моль*К));

T- температура, С.

В результаті цього вода в клітині знаходиться в стані  тургору (зв'язана осмотичними силами).

Осмотично-зв'язана волога знаходиться всередині клітин як би в напівпроникниному  мішечку, не відрізняється від звичайної води, при сушінні переміщається всередині матеріалу без фазового перетворення у вигляді рідини. Процес видалення цієї вологи з клітин аналогічний і протилежний осмотичному  її проникненню всередину  клітини.

 

Енергія зв'язку осмотично-зв'язаної вологи визначається рівнянням:

                                                                                            (1.2)                                    

- молярна частка води в розчині ( ) ;

- молярна частка розчиненої речовини.

3)Фізико-механічний зв’язок. Механічно зв'язана волога є найслабкішою, утримується за рахунок заповнення макрокапілярів і мікрокапілярів. Також цю вологу також називають капілярно-зв'язаною.

Капілярно-зв'язана волога обумовлена ​​поверхневим натягом і капілярним тиском. Під дією тиску відбувається підняття вологи в капілярах. Висота підняття води залежить від радіуса капіляра: при радіусі 10 см, висота підйому дорівнює 1,5 см; при см - висота підйому 1,5 км. В залежності від розміру капіляри діляться на мікрокапіляри (радіус менше м) і макрокапілляри (радіус більше м).

Капіляри з меншим радіусом мають менший  поверхневий тиск, ніж більш широкі, тому вода в них піднімається на велику висоту. У процесі сушіння вода з макрокапіллярів переміщається в більш дрібні і звідти випаровується. При цьому рівень вологи в крупних капілярах зменшується, а в дрібних - залишається постійним.

Вода, що знаходиться в мікрокапілярах, відрізняється від вільної меншою в'язкістю і поверхневим натягом  і більшою теплоємнісною. Температура  замерзання такої вологи менше 0 °  С.

  Енергія зв'язку в мікрокапілярів визначається  рівнянням:

                                                                                                 (1.3)                                               

                                      

- поверхневий натяг на границі води з пароповітряної сумішшю, H/м;

- питомий об’єм, кг/м ;

- радіус капіляра, м.

 

  Це рівняння вказує на збільшення енергії зв'язку зі зменшенням радіусу капілярів.

Властивості механічно зв'язаної вологи практично не відрізняються від властивостей вільної води, її можна розглядати як вільну вологу, яка при сушінні легко видаляється в першу чергу.

Розрізняють наступні основні  види зв’язку в вологому матеріалі: іонну, молекулярну(гідратну), адсорбційну, осмотичну, структурну, капілярну, змочування і водневу. Адсорбційна волога в свою чергу поділяється на:

1) вологу мономолекулярної адсорбції;

2) вологу полімолекулярної адсорбції.

Капілярний зв’язок поділяється  на вологу макрокапілярів і вологу мікрокапілярів. Волога макрокапілярів підрозділяється в залежності від положення в порах на :

1) капілярну;

2) фунікулерну (фітильну);

3) пендулярну (стикову).

Волога мікрокапілярів є активованою, і переніс проходить у вигляді ефузії (молекулярної течії). Конденсат вологи в таких капілярах проходить вже при відносній вологості порядку 60 %.

  В залежності від форми і видів зв’язку вологи з матеріалом і від співвідношення кількості поглиненої вологи матеріалу діляться на 3 групи:

1) Типові колоїдні тіла (еластичні гелі). При видаленні рідини ці тіла значно змінюють свої розміри (стискуються), але зберігають свої еластичні властивості (желатин, агар-агар та інші).

2) Капілярнопористі тіла (крихкі гелі). При видаленні рідини ці тіла стають крихкими, мало стискуються и можуть перетворюватися в порошок (слабо обпалені керамічні матеріали, зволожені в воді, вологий кварцовий пісок та інші).

3) Капілярнопористі колоїдні тіла, які володіють властивостями перших двох видів. Стінки їх капілярів еластичні та при поглинанні вологості набухають. До числа цих тіл належать більшість матеріалів, які піддаються сушці і які застосовують в будівельній техниці (торф, деревина, картон, тканин, вугілля, зерно, шкіра, грунт та інші ). Колоїдні тіла (еластичні гелі), які поглинають  найбільш близькі по полярності рідини. При цьому вони збільшують свої розміри –набухають. Капілярнопористі тіла вбирають будь-яку змочуючу їх рідину незалежно від її хімічних властивостей.

Поділ усіх матеріалів на три вказані групи носить умовний характер і не визначається будь-якою однією формою зв’язку вологи з матеріалом [2].

 

2.Методи вимірювання  вологості.

 

Відомо багато методів  вимірювання вологості. Всі методи вимірювання вологості поділяють на прямі, коли матеріал ділять на суху речовину і вологу, і непрямі, коли вимірюють зміну фізичних величин або властивостей об’єкта контролю, функціонально пов’язаних з вологістю матеріалу. Непрямі методи вимагають попереднього калібрування з метою встановлення залежності між вологістю матеріалу та інформативним параметром.

При використанні прямих методів, вимірюваними величинами є маса води в пробі (навісі)   і маса проби . За результатами вимірювань і розраховують масову частку води в речовині :

                                                                                             (1.4)                                                           

 

Або, інші відносні величини, такі як об’ємна або молярна частка води, що використовується в якості характеристики “вологісного” стану твердих речовин.

За способом виділення  води з речовини прямі методи, які  використовують у виробництві та в умовах лабораторії, діляться на метод висушування (ваговий або гравіметричний), дистиляційний, екстракційний та хімічний.

Всі перераховані вище прямі методи визначення вологості вимагають тривалого часу вимірювання і достатньо складних технічних засобів, але при цьому їм властива досить мала похибка вимірювання, що обумовлює їх використання в якості лабораторних і зразкових засобів контролю.

Систематизацію прямих методів  вимірювання вологості показано на рис. 1.1.

           Рис1.1.Систематизація прямих методів вимірювання вологості.

  Найбільш поширеним прямим методом є метод висушування, що полягає в повітряно-тепловій сушці зразка матеріалу до досягнення рівноваги з навколишнім середовищем; ця рівновага умовно вважається рівноцінною повному видаленню вологи. На практиці застосовується висушування до постійної ваги; частіше застосовують так звані прискорені методи сушки .У першому випадку сушку закінчують, якщо два послідовних зважування досліджуваного, зразка дають однакові або дуже близькі результати. Так як швидкість сушіння поступово зменшується, передбачається, що при цьому видаляється майже вся волога, що міститься у зразку. Тривалість визначення цим методом становить зазвичай від кількох годин до доби і більше. У прискорених методах сушіння ведеться протягом певного, значно більш короткого проміжку часу, при підвищеній температурі (наприклад, стандартний метод визначення вологості зерна сушінням розмолотої навіски при 130 ° С протягом 40 хв).

  В останні роки для прискореного сушіння ряду матеріалів стали застосовувати інфрачервоні промені, а в окремих випадках-діелектричний нагрів (струми високої частоти). Визначенню вологості твердих матеріалів висушуванням притаманні такі методичні похибки:

а) При висушуванні  органічних матеріалів поряд з втратою  гігроскопічної вологи відбувається втрата летких фракцій; одночасно при сушінні в повітрі має, місце поглинання кисню внаслідок окислення речовини. 

б) Припинення сушки відповідає не повному видаленню вологи, а  також рівновазі між тиском водяної  пари в матеріалі і тиском водяної пари в повітрі.