Введение к работе
Актуальность темы. Диметилсульфоксид (ДМСО) и его водные растворы находят применение в различных областях науки, техники и технологий благодаря высокой растворяющей способности. Вплоть до последнего времени основные практически значимые применения водных растворов ДМСО относились к области медицины, фармокологии, косметологии и др. В последние годы эти растворы используются в промышленных масштабах в химических производствах полимерных композиционных материалов на основе углепластиковых синтетических волокон в основном для аэрокосмической отрасли.
Промышленное использование ДМСО предполагает контроль состава его растворов в технологическом процессе. Здесь может быть перспективной промышленная рефрактометрия, базирующаяся на методе полного внутреннего отражения света. Погружные рефрактометры устанавливаются непосредственно в технологический поток и обеспечивают непрерывные (online) измерения состава двухкомпонентного раствора.
Применение промышленных рефрактометров требует точных количественных данных по оптическим свойствам контролируемой среды, в данном случае водных растворов ДМСО, включая, показатель преломления (п) и его температурный коэффициент (dn/dt) в технологически значимых диапазонах концентраций к от 0 до 100% и температур до t=90C, а также спектральное оптическое поглощение к(Х).
Опубликованные в доступных источниках данные по оптическим свойствам диметилсульфоксида ограничены только зависимостью показателя преломления от концентрации раствора при t=20C и Х=589 нм [1]. Эти данные содержат фактические ошибки и требуют проверки и уточнения. Температурный коэффициент показателя преломления (dn(k,t)/dt), а также дисперсионная зависимость п к настоящему времени остаются практически не изученными.
Оптическое поглощение в этих средах было исследовано только в глубокой области вакуумного ультрафиолетового диапазона спектра [2, 3]. Полученные в этих работах результаты в большей степени представляют научный, чем прикладной интерес.
Поэтому задачи исследования оптических свойств водных растворов дим етил сульфоксида остаются актуальными. Представляет интерес исследование метрологических возможностей рефрактометрии применительно к контролю растворов ДМСО. На основе полученных экспериментальных данных могли бы быть уточнены и оптимизированы алгоритмы использования промышленных рефрактометрических датчиков и, при необходимости, внесены изменения в их конструкцию, оптоэлектронную систему и программное обеспечение.
Цель работы состояла в лабораторном исследовании оптических свойств ДМСО и его водных растворов, разработке рефрактометрических датчиков для контроля состава этих растворов в технологическом процессе, лабораторных исследованиях и промышленных испытаниях рефрактометров, а также оптимизации их конструкции и алгоритмов программного обеспечения.
Задачи работы:
-
Экспериментальные исследования концентрационной, температурной и спектральной зависимостей показателя преломления при концентрациях растворов диметилсульфоксида к=(Н100%, температурах t=l(H90oC и в диапазоне длин волн 1=436-579 нм;
-
Теоретический анализ структуры электронных и колебательно-вращательных уровней в ДМСО и его окисле (диметилсульфоне);
-
Моделирование ультрафиолетового и инфракрасного спектрального поглощения в диметилсульфоксиде и диметилсульфоне;
-
Экспериментальные исследования оптического поглощения в водных растворах диметилсульфоксида в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра при 1=200-760 нм;
-
Сопоставительный анализ в рамках общей теории дисперсии данных по коротковолновому поглощению в ультрафиолетовой области спектра водных растворов диметилсульфоксида и их показателю преломления в видимой области длин волн;
-
Разработка промышленного рефрактометрического датчика погружного типа для контроля состава водных растворов диметилсульфоксида в технологических процессах.
Научная новизна работы:
-
Впервые на уровне требований промышленной рефрактометрии проведены исследования оптических свойств ДМСО и его водных растворов;
-
Выполнен теоретический анализ электронных и колебательно-вращательных состояний в ДМСО и его окисле - диметилсульфоне, а также численное моделирование спектров ультрафиолетового и инфракрасного поглощения;
-
Впервые теоретически и экспериментально установлено, что в ближней ультрафиолетовой области спектра диметилсульфон формирует полосу поглощения с максимумом на Х= 271нм;
-
Впервые в рамках полуэмпирической одноосцилляторной модели дан сопоставительный анализ ультрафиолетового поглощения и концентрационной зависимости показателя преломления ДМСО и его водных растворов в видимом диапазоне длин волн;
-
Разработан промышленный рефрактометрический датчик погружного типа для контроля «online» составов водных растворов ДМСО, включая алгоритмы его настройки, калибровки и лабораторных испытаний.
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
-
Данные лабораторных измерений (на уровне требований промышленной рефрактометрии) концентрационной, температурной и дисперсионной зависимостей показателя преломления водных растворов ДМСО при температурах t=l(H90oC, массовых концентрациях к=(Н100% и длинах волн 1=436-579 нм;
-
Теоретический анализ системы электронных и колебательно - вращательных уровней в ДМСО и диметилсульфоне, а также численного моделирования спектров инфракрасного и ультрафиолетового поглощения ДМСО, определяющего рефрактометрические параметры в видимой области длин волн;
-
Впервые установлено, что температурный коэффициент показателя преломления dn(k)/dt при t=l(H90oC и к=(Н100% имеет нелинейную зависимость от концентрации растворов ДМСО;
-
Данные экспериментальных исследований ультрафиолетового поглощения в водных растворах ДМСО при к=(Н100%, 1=200-400 нм и t=20C, где впервые установлена полоса поглощения с максимумом на 1=271нм, которая может быть сопоставлена с присутствием в растворах диметилсульфона;
-
Показатель преломления водных растворов ДМСО на длинноволновом крае фундаментальной электронной полосы поглощения может быть рассчитан с погрешностью, сопоставимой с погрешностью экспериментальных данных в рамках полуэмпирической модели, представляющей ультрафиолетовое поглощение одной «эффективной» линией на 1=140 нм и максимумом (эмпирический параметр), линейно зависящим от концентрации раствора;
-
Промышленной погружной рефрактометрический датчик, представляющий собой моноблок, в котором конструктивно совмещены погружной зонд с оптической системой и блок с одноплатной оптико-электронной системой сбора, обработки и вывода данных измерений.
Достоверность научных и практических результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. Достоверность техническо-эксплуатационных параметров, специально разработанных и представленных в диссертации спектральных приборов и промышленных рефрактометров, были подтверждены также результатами лабораторных измерений на тестовых пробах. Для спектрофотомерии использовались стандартные газоразрядные лампы линейчатого спектра излучения, эталонные образцы цветных стекол по [4]. Для аттестации рефрактометрических датчиков применялись жидкофазные пробы в виде водных растворов сахарозы, приготовленные по ГОСТ 28562-90, и растворов глицерина. Выносимые на защиту рефрактометрические датчики прошли метрологическую аттестацию во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (сертификат РЭ4437 - 001
- 50920929 - 2004), а также производственные испытания с удовлетворительными
результатами.
Внедрение результатов работы. Представленные рефрактометрические датчики и алгоритмы их использования в настоящее время проходят натурные испытания во ФГУП «ВНИИСВ» (г. Тверь).
Личный вклад автора. Все основные результаты, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования проведена совместно с научным руководителем. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены соискателем на:
XV международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике". СПб, 2012.
международной научно-практической конференции «Дни науки». Прага, 2013.
международной конференции «Прикладная оптика - 2012». СПб, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, включая 4 работы в трудах международных научных конференций и 3 научные статьи, входящих в перечень рецензируемых изданий, признаваемых ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем работы: 104 страницы машинописного текста, включая 54 рисунка, 17 таблиц и списока литературы из 69 наименований.
