ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ИХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ В АЭРОЗОЛЬ
Цель работы : экспериментально определить размеры аэрозольных частиц и массу растворенного вещества в аэрозольных частицах.
Задачи работы :
- исследовать влияние ультразвука на вещества, трансформируемые в аэрозоль;
- определить размеры частиц аэрозоля, осажденные на гидрофобизованную поверхность стеклянной пластинки;
- рассчитать массу растворенного вещества в единичной частичке аэрозоля;
- проанализировать полученные в процессе лабораторной работы результаты и сделать выводы.
Теоретическая часть:
Существует много способов диспергирования жидкостей, однако в медицине, как правило, используются акустические распылители, в которых распыление происходит под действием высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковое распыление жидкости является одним из перспективных направлений медицинского применения ультразвука, так как при ультразвуковом распылении концентрацию аэрозоля (плотность аэрозольных частиц в воздухе) можно регулировать изменением акустической мощности излучателя.
Регулируя параметры ультразвука, можно получить частицы аэрозоля самых разных размеров – от 0,03 до 10 мкм в диаметре. Следует особо отметить, что при ультразвуковом методе аэрозоль получается практически монодисперсным, т.е. большинство частиц имеет одинаковые размеры.
Согласно кавитационно-волновой гипотезе о механизме распыления жидкости в ультразвуковом фонтане, капли аэрозоля отделяются от гребней капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности струи фонтана. Капиллярные волны возникают под действием периодических ударных волн, генерируемых кавитационными пузырьками внутри струи. Для создания ультразвукового фонтана используются частоты мегагерцевого диапазона (рис.5.1.).
|
|
|
Рис. 5.1. Схематическое изображение процесса образование аэрозоля в «фонтане»: 1 - излучатель ультразвука, 2 - распыляемый раствор, 3 – ультразвуковой фонтан, 4 - аэрозоль.
Распыление происходит в верхней части фонтана с образованием тонкого стойкого монодисперсного аэрозоля, размер капель которого составляет 2—4 мкм. Для получения аэрозоля этим способом удобны фокусирующие излучатели с резонансной частотой 1—3 МГц с вогнутой поверхностью. Чаще всего используют керамический излучатель, представляющий собой часть сферы и фокусирующий ультразвуковую энергию в области центра кривизны излучающей поверхности. Фокальное пятно излучателя располагается обычно несколько ниже поверхности жидкости.
В этом случае поверхность жидкости над фокальным пятном вздымается за счет радиационного акустического давления в виде конусовидного образования – «фонтана» (3 на рис.5.1). Сходящийся пучок ультразвуковых волн обуславливает в фокальном пятне плотность энергии, достаточную для возбуждения кавитации. Расходящиеся за фокальным пятном ультразвуковые волны многократно отражаются от поверхности фонтана и в его объеме также создают поле с высокой плотностью энергии. Кавитационные пузырьки из фокального пятна уносятся акустическими потоками в фонтан, где порождают множество новых зародышей кавитации и возбуждают стоячие капиллярные волны конечной амплитуды на поверхности фонтанирующей жидкости. Размеры образующихся аэрозольных частиц уменьшаются со снижением поверхностного натяжения жидкости.
|
|
|
Распыляемая жидкость характеризуется несколькими параметрами, оказывающими основное влияние на кинетику и интенсивность процесса ультразвукового распыления. Этими параметрами являются: - вязкость, поверхностное натяжение и толщина слоя распыляемой жидкости. Первый параметр определяет кинетику, второй энергетику, а толщина слоя – интенсивность процесса.
Следует отметить, что во всех случаях микрокапли образуются из поверхностного слоя жидкости, либо обогащенного поверхностно активными компонентами раствора, либо обедненными компонентами, способными понижать его поверхностное натяжение. Кроме того, при трансформации в аэрозоль, некоторые вещества могут изменять свои свойства.
|
|
|
Задание и порядок выполнения работы:
1. Исследование влияния ультразвука на вещества, трансформируемые в аэрозоль.
Как известно, под действием ультразвука с интенсивностью, превышающей порог кавитации, в воде и водных растворах, насыщенных воздухом могут образовываться азотная и азотистая кислота и водород пероксид.
Около 0,01% молекул Н2О при высокой температуре внутри кавитационного пузырька, образующегося под действием ультразвука, диссоциируют на водородные Ḣ и гидроксильные OḢ свободные радикалы:
H2O → Ḣ+ OḢ
Образующиеся свободные радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы. В результате этих реакций образуются водорода пероксид, а также азотная и азотистая кислоты.
OḢ+ OḢ→ H2O2
N2 +4 H2O2→HNO2+HNO2+3H2O
Данные вещества весьма активны: пероксид водорода – активный инициатор окислительно-восстановительных реакций с различными веществами в растворе, а азотистая НNO2 и азотная НNO3 кислоты могут активно реагировать с биоорганическими молекулами.
|
|
|
Для изучения возможности появления в аэрозолях пероксид водорода, ионов азотной и азотистой кислот, возникающих при кавитации в насыщенной воздухом воде, следует:
- соберите установку, схематически приведенную на рис. 5.2.
| 1 |
| 2 |
| 4 |
| 3 |
| К водоструйному насосу |
| 5 |
Рис. 5.2 Схема установки для трансформации жидкости в аэрозоль и обратной конденсации аэрозоля в жидкость: 1 - ультразвуковой генератор аэрозолей, 2 - раствор, 3 - аэрозоль, 4 - сконденсированный аэрозоль, 5 - ванночка для льда.
- заполните льдом ванночку для льда, чтобы ускорить конденсацию аэрозоля;
- включите ультразвуковой генератор аэрозолей (ультразвуковой ингалятор);
- включите водоструйный насос;
- дождитесь, когда сконденсируется достаточное для анализа количество конденсата;
- остаток воды из кюветы для распыления, а также воду, накопившуюся в конденсирующем устройстве, проанализируйте на наличие ионов NO2−, NO3− и Н2О2, по спектрам оптического поглощения в области от 200 до 250 нм, или по реакции на реактив Грисса;
(Реактив Грисса - раствор сульфаниловой кислоты и α-нафтиламина в разбавленной уксусной кислоте. С нитрит-ионом образует красный азокраситель (максимум поглощения 520 нм). Применяется для фотометрического обнаружения нитритов, азотистой кислоты, а также органических веществ выделяющих азотистую кислоту (оксимы, гидроксамовые кислоты, нитрамины).
- полученные данные внесите в таблицу 5.1.
Таблица 5.1.
Содержание пероксида водорода, азотной и азотистых кислот в исходной и сконденсированной жидкости
| Содержание пероксида водорода, азотной и азотистых кислот в исходной и сконденсированной жидкости. | Исходная жидкость до распыления | Остаток исходной жидкости после процесса распыления | Сконденсированная жидкость | |||
| NO 2 − мг/л, |
| |||||
| NO 3 − , мг/л |
| |||||
| Н2О2, % |
| |||||
Пользуясь данными из источников литературы, ссылки на которые приведены в списке литературы, объясните полученные результаты и сформулируйте выводы.
2. Концентрирование поверхностно активных веществ в конденсате.
Поверхность воды и водных растворов обогащается за счет поверхностной сорбции поверхностно - активными компонентами раствора. Это давно известное явление не получило до сих пор прямого экспериментального подтверждения. Трансформация поверхностного слоя в аэрозоль под действием фокусированного ультразвука, с последующей его конденсацией позволяет подтвердить этот феномен экспериментально.
В качестве модельных жидкостей можно использовать водные растворы этилового спирта. Аэрозоль, уносимый током воздуха, улавливается в аппарате с охлаждаемым жидкостным затвором, образованным из того же сконденсированного аэрозоля.
Эффективность процесса разделения (коэффициент концентрирования) можно оценить по соотношению содержания исследуемых веществ в единице объема жидкости полученной конденсацией УЗ аэрозоля к содержанию того же вещества в исходной модельной жидкости.
Для проведения опыта:
- приготовьте 1%-ный раствор этилового спирта;
- трансформируйте его в аэрозоль и сконденсируйте его, аналогично тому, как описано в предыдущем задании 1;
- измерьте концентрацию этилового спирта в сконденсированном аэрозоле, используя рефрактометрический метод;
Для этого используйте рефрактометр (См. Приложение 5). с помощью которого, по измеренному значению показателей преломления и с помощью таблиц из справочников (Например, «Справочник химика 21» https://chem21.info/info/657497/ Показатели преломления водных растворов этилового спирта. c .732 ), или с помощью заранее построенных по табличным данным градуировочных кривых определите концентрацию этилового спирта в сконденсированном аэрозоле.
- сравните концентрации этанола в исходном растворе (Сисх) и растворе, полученном после обратной трансформации аэрозоля в жидкость (Скон) и рассчитайте коэффициент концентрирования:
К= Скон/Сисх
Пользуясь данными из источников литературы, ссылки на которые приведены в списке литературы, объясните полученные результаты и сформулируйте выводы.
3. Определить размеры частиц в ультразвуковых аэрозолях.
В ультразвуковых ингаляторах применяют фокусирующий пьезокерамический излучатель, работающий на частотах ультразвука 2,5…2,64 МГц. Распределение частиц аэрозолей оказывается аналогичным приведенному на рис. 5.3. и лежит в интервале 3…6 мкм, причем часть получаемых частиц имеет размеры, лежащие в области сотен нанометров.
Рис. 5.3. Характерное распределение частиц аэрозолей по размерам для популярных ультразвуковых ингаляторов.
Для получения нано размерных частиц ряда солей и некоторых биологически активных соединений можно использовать метод ультразвукового распыления растворов с последующей сушкой полученного аэрозоля.
Расчет количества вещества, содержащегося в капле показал, что если в капле аэрозоля размером 5 мкм и с количеством NaCl 3% содержится 1,963·10-12 г сухого вещества, то после высушивания размеры содержимого аэрозольной капли составят 0,636 мкм, при плотности 2,165 г/см3, характерной для NaCl.
Для проверки провести следующий опыт:
- распылите чистую воду, используя ультразвуковой ингалятор;
- подержите в полученном тумане в течение секунды гидрофобизованное маслом предметное стекло для микроскопических исследований;
- измерьте с помощью микроскопа размеры микрокапель на предметном стекле;
- приготовьте 1% -ный раствор NaCl;
- распылите его, используя ультразвуковой ингалятор;
- в полученном тумане подержите течение секунды предметное стекло для микроскопических исследований;
- высушите предметное стекло;
- измерьте с помощью микроскопа размеры частиц на предметном стекле;
- используя вышеприведенные данные, рассчитайте количество вещества в 1 капле аэрозоля.
Составьте отчет о проделанной лабораторной работе, согласно Правил представленных в главе 6, данного практикума.
Контрольные вопросы:
1. Почему для определения размера микрокапель используют гидрофобизованное стекло?
2. В каких случаях концентрация растворенного вещества в микрокаплях аэрозоля оказывается выше, чем в исходном растворе?
3. В каких случаях и почему в воде, подвергнутой действию ультразвука, обнаруживаются водород пероксида, азотная и азотистая кислота?
4. Каков механизм формирования аэрозолей в ультразвуковом поле?
Список литературы к лабораторной работе 5
Акопян В.Б. Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами Москва, Из-во МГТУ им Баумана 2006, 223 С.
6.ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА О ПРОДЕЛАННОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ.
Отчёт о работе выполняется каждым студентом самостоятельно. Отчёт должен содержать:
– цель работы и задачи;
– краткий реферат теоретической части;
– краткое описание объекта исследования, биообъекта;
- планирование эксперимента;
Планировать эксперимент необходимо с целью определения условий проведения и количества опытов, при которых удастся получить надежную и достоверную информацию об исследуемом процессе при минимальном количестве измерений, а также представить эту информацию в удобной форме с количественной оценкой погрешности измерений. При планировании эксперимента учесть стандартные требования к построению зависимостей и количеству измерений для оценки погрешностей.
– расчёты и графики;
– обсуждение полученных результатов;
– выводы по результатам проведённых исследований.
Отчёт, схемы, графики и таблицы необходимо выполнять в соответствии с требованиями ЕСКД и ГОСТ.
Статистическую обработку полученных результатов осуществляют, рассчитывая относительную дисперсию воспроизводимости и доверительный интервал среднего значения.
(6.1)
где N – количество экспериментов, γ – количество повторений в каждом эксперименте; yij – значение, полученное в эксперименте; 
– среднее значение определяемой в эксперименте величины; 
– число степеней свободы.
Доверительный интервал:
(6.2)
где t – критерий Стьюдента, определенный по числу степеней свободы f для общего массива данных при надежности 95%. Для определения доверительного интервала, накрывающего математическое ожидание, находим по таблице квантилей распределение Стьюдента по заданной доверительной вероятности и числу степеней свободы квантиль t = 2,78:
Результат статистической обработки записывают в виде:
(6.3)
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Дата добавления: 2020-04-08; просмотров: 146; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!