基于激光法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量Na2SO4溶液電導(dǎo)率

倪恩科,謝 靜,程其孌

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,湖北 武漢 430070)

電導(dǎo)率是描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參量，是用來(lái)表征物質(zhì)傳輸電流能力強(qiáng)弱的物理量. 電導(dǎo)率作為電解質(zhì)溶液特性的重要指標(biāo)，在微電子制造、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋科學(xué)、生物制藥、化學(xué)工程等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用. 目前，溶液電導(dǎo)率測(cè)量主要分為非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量. 其中，接觸式測(cè)量方法有直流測(cè)量法、交流測(cè)量法[1]、雙頻率測(cè)量法[2]、范德堡法[3]等. 某些接觸式測(cè)量方法雖能達(dá)到很高的精度要求，但也存在局限性. 對(duì)于強(qiáng)腐蝕性、高溫高壓、易被污染的電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的測(cè)定，接觸式測(cè)量就會(huì)有許多劣勢(shì). 本文使用非接觸式測(cè)量方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)激光穿過(guò)溶液前后光強(qiáng)的變化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)溶液的電導(dǎo)率.

1 激光法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量原理

電導(dǎo)率κ是描述電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的宏觀物理量. 從微觀角度看，電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力取決于單位體積內(nèi)的帶電粒子數(shù)(離子濃度)、離子帶電荷數(shù)以及帶電離子在溶液中的遷移速度. 雖然對(duì)于某一種電解質(zhì)溶液，離子帶電荷數(shù)一定，但電解質(zhì)溶液的濃度c、溫度t以及壓力p不同，離子濃度及離子遷移速度就不同，溶液電導(dǎo)率值也就不同. 電解質(zhì)溶液的濃度c、溫度t、壓力p是影響電導(dǎo)率的宏觀物理量，即電導(dǎo)率是這三者的函數(shù)

κ=f(p,t,c),

(1)

當(dāng)壓力p和濃度c一定時(shí)，溶液的電導(dǎo)率κ隨溫度t的增加而增加，根據(jù)Na2SO4溶液在不同溫度下電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)值[1]可以擬合出溫度和電導(dǎo)之間的函數(shù)關(guān)系，在35～60 ℃存在關(guān)系式

κ=f(t).

(2)

根據(jù)朗伯比爾定律，溶液對(duì)入射光強(qiáng)度吸收的能力和溶液自身濃度、液層厚度之間的關(guān)系為

(3)

其中，A為吸光度，Iin和Iout分別為入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度，T為透射比，m為溶液的摩爾吸光系數(shù)(與溶液的溫度t，壓強(qiáng)p等有關(guān))，c為溶液的濃度，b為入射光從進(jìn)入到離開(kāi)溶液的距離，即溶液厚度.

當(dāng)溫度升高時(shí)，溶液的摩爾吸光系數(shù)m和溫度t之間有函數(shù)關(guān)系

t=f(m).

(4)

因此，在溫度t升高時(shí)，結(jié)合式(2)和式(4)，摩爾吸光系數(shù)m和溶液的電導(dǎo)率κ之間函數(shù)關(guān)系為

κ=f(m).

(5)

結(jié)合式(3)，得到

(6)

因此，當(dāng)溶液厚度b、溶液濃度c、輸入光強(qiáng)Iin已知，通過(guò)測(cè)量Iout就能得到相應(yīng)的電導(dǎo)率κ的值.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 系統(tǒng)的技術(shù)參量

測(cè)量對(duì)象為Na2SO4溶液，溫度范圍為35～60℃，采樣時(shí)間間隔1 s，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)顯示.

2.2 系統(tǒng)的總體方案

基于激光法的Na2SO4溶液電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示. 利用加熱臺(tái)給溶液升溫，通過(guò)測(cè)量溶液的透射光強(qiáng)度實(shí)時(shí)計(jì)算溶液當(dāng)前溫度的電導(dǎo)率值，并應(yīng)用Origin軟件實(shí)時(shí)畫(huà)出溶液電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn).

1.激光器 2.偏振片 3.比色皿(內(nèi)裝Na2SO4溶液)4.加熱臺(tái) 5.光強(qiáng)接收器 6.光功率計(jì)控制器 7.計(jì)算機(jī)圖1 基于激光法的Na2SO4溶液電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)定標(biāo)

3.1 樣品的制備

用天平稱(chēng)取15 g Na2SO4粉末，放入燒杯中，加入100 mL去離子水，用玻璃棒不斷攪拌，直至溶解. 最后將調(diào)配好的Na2SO4溶液倒入比色皿中.

3.2 標(biāo)定數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，可以得到相同濃度的Na2SO4溶液在不同溫度(40,45,50,55,60 ℃)下電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)利用所搭建系統(tǒng)，取輸入光強(qiáng)Iin分別為90.5,95.5,100.5,105.5,110.5 μW,測(cè)量Na2SO4溶液在對(duì)應(yīng)溫度時(shí)輸出光強(qiáng)Iout(多次測(cè)量，取平均值)，并計(jì)算吸光度lg (Iin/Iout)(多次測(cè)量，取平均值)，如表1所示. (標(biāo)定時(shí)利用油浴加熱，使溶液穩(wěn)定升溫)

3.3 數(shù)據(jù)擬合

已知溶液厚度b=0.05 m，溶液質(zhì)量濃度C=13.04%，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到最優(yōu)的擬合函數(shù)為

κ=f(m)=0.691m2-10.007m+44.2，

(7)

表1 不同溫度下電導(dǎo)率值和輸出光強(qiáng)值

圖2 電導(dǎo)率κ和摩爾吸光系數(shù)m的定標(biāo)曲線(xiàn)

4 電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)測(cè)量

測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示. 打開(kāi)激光器和光功率計(jì)控制器開(kāi)關(guān)后，調(diào)整偏振片使得光功率計(jì)讀數(shù)在100 μW左右，選定光強(qiáng)為101.2 μW的激光作為入射光，如圖4所示.

將裝有Na2SO4溶液的比色皿放上加熱臺(tái)，為防止溶液散熱或蒸發(fā)過(guò)快，比色皿罩上保溫罩. 控制加熱臺(tái)持續(xù)升溫，在溶液升溫至60 ℃的過(guò)程中，利用光功率計(jì)每隔1 s實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)得透射光強(qiáng)，如圖5所示. (加熱臺(tái)顯示溫度非溶液實(shí)際溫度，加熱臺(tái)只起到給溶液升溫作用)

應(yīng)用Origin軟件，根據(jù)定標(biāo)式(7)計(jì)算并畫(huà)出當(dāng)前Na2SO4溶液電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖，在計(jì)算機(jī)上顯示，如圖6所示. 在加溫過(guò)程中，會(huì)引起溶液對(duì)流，導(dǎo)致溶液中各處溫度不均勻，故需等到溶液溫度穩(wěn)定后再進(jìn)行激光測(cè)量. 另外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量也可以不必等到溶液達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由于加溫過(guò)程中溶液內(nèi)不同梯度位置的電導(dǎo)率不同，可以通過(guò)改變激光位置，測(cè)量溶液的電導(dǎo)率分布情況. (確定“溶液穩(wěn)定”的一般步驟：設(shè)置加熱臺(tái)溫度恒定，連續(xù)間隔一定時(shí)間測(cè)量溶液溫度后，若溶液溫度不再變化，則可判斷溶液溫度達(dá)到穩(wěn)定. 由于測(cè)量溫度會(huì)引起溶液擾動(dòng)，故還需再靜置一段時(shí)間才能繼續(xù)進(jìn)行激光測(cè)量.)

圖3 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 調(diào)節(jié)入射光光強(qiáng)

圖5 升溫過(guò)程

圖6 Na2SO4溶液電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

使用激光法實(shí)時(shí)測(cè)量溶液的電導(dǎo)率，靈敏度高，反應(yīng)速度快，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液電導(dǎo)率變化；該方法是非接觸測(cè)量，保證溶液在測(cè)量過(guò)程中不被污染，也能準(zhǔn)確測(cè)量強(qiáng)腐蝕性溶液的電導(dǎo). 由于無(wú)需接觸溶液本身，對(duì)高溫高壓、腐蝕性和易被污染的溶液的電導(dǎo)率測(cè)定有著十分重要意義. 該測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際生活中有著廣闊的應(yīng)用前景. 但是該系統(tǒng)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制以及溶液蒸發(fā)的影響，低溫和高溫情況下不同濃度溶液的電導(dǎo)率的精確測(cè)量有待進(jìn)一步探索.