XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение метода и разработка механизма детектирования (измерения) паров серной кислоты

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Кокшарова С.Я. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7», г. Чайковский

Коновалова В.А. 1Селиванов И.А. 2

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7», г. Чайковский

2ООО "ЭРИС", г. Чайковский

Работа в формате PDF

128.9 KB

Введение

Серная кислота – сильная двухосновная кислота, в обычных условиях представляет маслянистую жидкость без запаха и цвета.

Серная кислота является одним из самых распространённых химических веществ, применяющихся в промышленности. Её применяют в химической промышленности такой как, получение минеральных удобрений, получение минеральных кислот и солей, производство химических волокон. Используют серную кислоту в пищевой промышленности, металлообрабатывающей, текстильной.

На предприятиях этих промышленностей, надо контролировать концентрацию паров серной кислоты, так как они губительно влияют на организм человека. Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 миллиграмм на литр, смертельная концентрация 0,18 миллиграмм на литр. При отравлении парами возникает раздражение слизистых оболочек носоглотки, возникает раздражение и ожог глаз, гортани, носовые кровотечения, боль в горле, охриплость голоса из-за спазма голосовой щели. При этом особенно опасны отеки гортани и легких.

Проблема: отсутствие сенсоров на фиксацию концентрации паров серной кислоты на предприятиях.

Для контроля над концентрацией паров нужен оптимальный метод их детектирования, который мы изучим в этой исследовательской работе.

Цель: поиск и изучение оптимального метода детектирования паров серной кислоты для разработки механизмов ее фиксации.

Объект исследования: Серная кислота.

Предмет исследования: Измерение паров серной кислоты.

Гипотеза: Электрохимический метод будет самым оптимальным для измерения паров серной кислоты.

Задачи:

1. Найти и изучить информацию о методах измерения паров химических веществ.

2. Выявить самый подходящий метод с помощью сравнения по критериям.

3. Изучить принцип работы метода.

4. Выдвинуть предположения о работе механизма детектирования паров серной кислоты, на основе данного метода.

5. Разработать модель рабочего механизма.

Обзор изученной литературы:

В основу изученной литературы для сравнительного анализа методов легли труды по физико-химическим методам анализа (фотометрия и турбидиметрия) [Н.М. Березина и др., 2018 г., с. 104] и «Физико-химическим методам анализа. Ч.III. Хроматографические методы анализа» [Дмитриевич И.Н., Пругло Г.Ф., Федорова О.В., Комиссаренков А.А., 2014 г., с. 53, 58]. Обзор данной литературы позволяет увидеть отличительные черты каждого метода: фотометрического, хроматографического, электрохимического.

Сложностью при изучении литературных источников было то, что информация по критериям «Сложность воспроизведения» и «Габариты» не была представлена явно, ее необходимо было высчитывать и сравнивать по конкретным приборам.

Основная часть

1. Методы

Задачей газового анализа является определение концентрации одного или нескольких компонентов в газовой смеси.

Газовый анализ необходим в экологии и охране окружающей среды для определения концентрации вредных веществ в возду­хе, на химически опасных производствах, на взрывоопасных и пожароопасных производствах для определения содержания горючих газов, в системах контроля и управления двигателей внутреннего сгорания, регулирования котлов теплоэлектростан­ций и т.д.

Существует множество методов определения химических веществ: химические методы анализа (гравиметрический анализ, титриметрия), физико-химические методы анализа (электрохимический, фотометрический, кинетический, хроматографический), физические методы анализа (спектральные, ядерно-физические и д.р.), биологические методы.

Для сравнения мы выбрали несколько физико-химических методов анализа измерения паров химических веществ: фотометрический, хроматографический, электрохимический.

1. Фотометрический  метод основан на измерении поглощения молекулами или ионами вещества света. Метод будет работать на изменение поглощения света при различной концентрации паров кислоты. [1]

2. Хроматографический метод - это физико-химический метод разделения смесей на компоненты в результате распределения компонентов между двумя фазами – неподвижной, с большой поверхностью контакта (сорбент), и подвижной (элюент), которая представляет собой поток, фильтрующийся через неподвижный слой [2].

3. Электрохимический метод  основан на изучении зависимости электрических параметров химической системы от концентрации, природы и структуры ее компонентов [3].

2.Сравнение методов

Для сравнения методов были выбраны следующие критерии, такие как сложность воспроизведения, габариты.

2.1. Сложность воспроизведения

Сравнение методов по критерию «Сложность воспроизведения» проходило по следующим показателям (наличие теоретической основы по воспроизведению принципа работы метода, отсутствие дополнительных лабораторных условий).

2.1.1. Фотометрический метод.

Сложность воспроизведения фотометрического метода заключается в том, что для создания прибора, работающего по этому методу нужны дополнительные лабораторные условия для проведения опытов по проверки его работоспособности.

2.1.2. Хроматографический метод

Сложность воспроизведения хроматографического метода заключается в воспроизведении принципа работы самого прибора,который включает в себе изменение фаз состояния молекул анализируемого вещества и дорогостоящих составных частей прибора.

2.1.3. Электрохимический метод

Воспроизведение электрохимического метода не выявляет сложности, так как мы имеем теоретическую основу, заключающей в себе опыты воспроизведения метода, и нужные лабораторные условия.

Вывод: в сравнении по критерию «Сложность воспроизведения» электрохимический метод является самым оптимальным.

2.2. Габариты

Сравнительный анализ методов по критерию «Габариты» проходило по следующим показателям:

1. Размер (малый, средний, крупный).

2. Условия применения (лаборатория, цех, рабочая зона и т.д.)

2.2.1. Фотометрический метод

Приборы, основанные на этом методе, имеют средние габаритные размеры. Примером одного такого прибора можно привести фотоколориметр КФК-3КМ, который имеет такие габаритные размеры, как 460×310×180 мм и имеет массу 10 кг ^[1]. Такой прибор можно использовать только в условиях лаборатории.

2.2.2. Хроматографический метод

Приборы, работающие по принципу хроматографии, имеют крупные габаритные размеры. Для примера габаритов таких приборов можно привести газовый хроматограф Agilent 7820A, имеющий такие размеры, как 490×560×510 мм и массу 50 кг ^[2]. Такой прибор также можно использовать только в условиях лаборатории.

2.2.3. Электрохимический метод

Приборы, основанные на электрохимическом методе, имеют малые габаритные размеры. Для примера, одним из приборов использующего электрохимический метод является ДГС ЭРИС-230газоанализатор стационарный. Такой прибор имеет размеры такие, как 150×235×115 мм и массу не более 4 кг ^[3]. Данный прибор применяется непосредственно в самих рабочих зонах.

Вывод: в сравнении по критерию «Габариты» электрохимический метод является самым оптимальным.

2.3. Вывод

Сравнивая, три метода анализа по таким критериям, как «Сложность воспроизведения» и «Габариты», мы пришли к выводу, что самым оптимальным методом является «Электрохимический», так как по двум критериям сравнительного анализа выявляется самым оптимальным. Сравнительный анализ по всем критериям представлен в Таблице 1 «Сравнительный анализ».

Таблица 1

«Сравнительный анализ»

3. Разработка механизма детектирования паров серной кислоты.

3.1. Предположение о принципе работы механизма.

Образцом принципа работы электрохимического метода, являются электрохимические сенсоры. В пример, можно привести амперометрический сенсор на кислород, который включает в себя такие элементы, как электролит из водного раствора хлорида калия два электрода: индикаторный электрод из платины и электрод сравнения из хлорида серебра. Между этими составляющими происходит реакция с образованием тока пропорционального концентрации измеряемого вещества.^[4]

В ходе изучения метода для измерения паров серной кислоты, мы выявили, что нет нужной реакции взаимодействия электрода с серной кислотой. Исходя из этого, мы нашли единственную реакцию, в которой одним из продуктов взаимодействия является серная кислота и одним из продуктов реакции является диоксид серы. Реакция серной кислоты с сульфитом натрия, при которой продуктами реакции образуются сульфат  натрия и сернистая кислота, которая является не устойчивой и разлагается на воду и диоксид серы.

H2SO4 + Na2SO3 = pSO3 + Na2SO4

H2SO4 + Na2SO3 = H2O + SO2 + Na2SO4

Концентрацию диоксида серы мы можем измерить с помощью существующего сенсора, созданного по принципу работы электрохимического метода.

3.2. Подтверждение предположения.

Для подтверждения выдвинутого предположения по принципу работы механизма, основанного на электрохимическом методе, мы провели химическую реакцию с взаимодействием паров серной кислоты с сульфитом натрия в итоге, которой реакция пошла, и в результате выделился диоксид серы.

3.3. Предположение о модели фильтра.

Для планируемого создания модели фильтра мы взяли за основу получение свойства проходимости паров серной кислоты через него.

Для начала мы предположили, что при спекании декстрина с безводным сульфитом натрия мы сможем образовать поры и нужную форму сульфита натрия для фильтра. По предположению при получении смеси данных веществ и дистиллированной воды, мы сможем придать сульфиту натрия нужную форму для фильтра, а при спекании из-за невысокой температуры плавления декстрина он выгорит и образует поры в сульфите натрия. Для проверки этого предположения мы провели ряд опытов, отличающихся друг от друга соотношением веществ в смеси, результаты представлены в Таблице 2 «Эксперимент по созданию модели фильтра».

Таблица 2.

«Эксперимент по созданию модели фильтра»

3.4. Разработка модели фильтра.

Проведя вышеперечисленные опыты (см. Таблица 2), мы пришли к выводу то, что данное предположение, о создание твердотельного фильтра не подтвердилось. И на основании этого разработали модель насыпного фильтра с безводным сульфитом натрия, для которого необходим корпус для поддержания его объема.

Модель состоит из таких составляющих, как: Мембрана верхняя, сульфит натрия, корпус верхний, мембрана нижняя, корпус нижний.

Рис.1.

3.5. Механизм детектирования паров серной кислоты

После проведения проверки выдвинутых предположений о принципе работы механизма и модели фильтра, мы разработали готовую модель механизма детектирования паров серной кислоты, основываясь на электрохимическом методе. Механизм состоит из насыпного фильтра сульфита натрия с корпусом для поддержания его объема, который устанавливается на сенсор, работающий по электрохимическому методу определения диоксида серы. Принцип работы механизма заключается в взаимодействии сульфита натрия, находящегося в насыпном фильтре, который при взаимодействии с парами серной кислоты образует сернистую кислоту, которая является не устойчивой и разлагается на диоксид серы и воду. Количество диоксида серы прямо пропорционально количеству паров серной кислоты. Диоксид серы регистрируется электрохимическим сенсором в составе ДГС-230.

Заключение

На основании всего вышесказанного мы можем констатировать, что электрохимический метод является самым оптимальным для измерения паров серной кислоты. Данный метод выигрывает среди физико-химических методов по критерию «Сложность воспроизведения» за счет наличия более доступного оборудования и размещения непосредственно в рабочей зоне. По критерию «Габариты», приборы, разработанные на основе электрохимического метода, применяются в различных окружающих средах. Также хочется отметить оптимальность метода за счет наличия теоретической основы по работе с электрохимическими методами и оборудования.

В ходе исследования гипотеза, выдвинутая в самом начале, подтвердилась.

Подводя итоги необходимо отметить следующие перспективы исследования: исследовательская, работа перерастает в проект по созданию модели фильтра детектирования паров серной кислоты, состоящего из безводного сульфита натрия, защищенного специальной мембраной, не пропускающей влагу и пропускающей пары серной кислоты.

Список использованных источников и литературы

1. https://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5337.html

2. Богдановская В. А. [и др.], в кн.: Итога науки и техники, сер. Электрохимия, т. 31, М., 1990; Тарасевич М. Р. [и др.], там же, т. 35, М., 1992.

3. Дмитриевич И.Н., Пругло Г.Ф., Федорова О.В., Комиссаренков А.А. «Физико-химические методы анализа. Ч.III. Хроматографические методы анализа»: учебное пособие для студентов заочной формы обучения/ СПб ГТУРП. - СПб., 2014.-53с.

4. Дмитриевич И.Н., Пругло Г.Ф., Федорова О.В., Комиссаренков А.А. «Физико-химические методы анализа. Ч.I. Хроматографические методы анализа»: учебное пособие для студентов заочной формы обучения/ СПб ГТУРП. - СПб., 2014.-78с.

5. Физико-химические методы анализа (фотометрия и турбидиметрия): учеб. пособие/ [Н.М. Березина и др.]; Иван. гос. хим. технол. ун-т. – Иваново, 2018. –104 с.