基于激光法實時動態測量Na2SO4溶液電導率

倪恩科,謝 靜,程其孌

(華中農業大學 理學院,湖北 武漢 430070)

電導率是描述物質中電荷流動難易程度的參量，是用來表征物質傳輸電流能力強弱的物理量. 電導率作為電解質溶液特性的重要指標，在微電子制造、環境監測、海洋科學、生物制藥、化學工程等領域都有著廣泛的應用. 目前，溶液電導率測量主要分為非接觸式測量和接觸式測量. 其中，接觸式測量方法有直流測量法、交流測量法[1]、雙頻率測量法[2]、范德堡法[3]等. 某些接觸式測量方法雖能達到很高的精度要求，但也存在局限性. 對于強腐蝕性、高溫高壓、易被污染的電解質溶液電導率的測定，接觸式測量就會有許多劣勢. 本文使用非接觸式測量方法，通過監測激光穿過溶液前后光強的變化，實時動態監測溶液的電導率.

1 激光法實時動態測量原理

電導率κ是描述電解質溶液導電能力的宏觀物理量. 從微觀角度看，電解質溶液導電能力取決于單位體積內的帶電粒子數(離子濃度)、離子帶電荷數以及帶電離子在溶液中的遷移速度. 雖然對于某一種電解質溶液，離子帶電荷數一定，但電解質溶液的濃度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，溶液電導率值也就不同. 電解質溶液的濃度c、溫度t、壓力p是影響電導率的宏觀物理量，即電導率是這三者的函數

κ=f(p,t,c),

(1)

當壓力p和濃度c一定時，溶液的電導率κ隨溫度t的增加而增加，根據Na2SO4溶液在不同溫度下電導率的標準值[1]可以擬合出溫度和電導之間的函數關系，在35～60 ℃存在關系式

κ=f(t).

(2)

根據朗伯比爾定律，溶液對入射光強度吸收的能力和溶液自身濃度、液層厚度之間的關系為

(3)

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

當溫度升高時，溶液的摩爾吸光系數m和溫度t之間有函數關系

t=f(m).

(4)

因此，在溫度t升高時，結合式(2)和式(4)，摩爾吸光系數m和溶液的電導率κ之間函數關系為

κ=f(m).

(5)

結合式(3)，得到

(6)

因此，當溶液厚度b、溶液濃度c、輸入光強Iin已知，通過測量Iout就能得到相應的電導率κ的值.

2 實驗裝置

2.1 系統的技術參量

測量對象為Na2SO4溶液，溫度范圍為35～60℃，采樣時間間隔1 s，采用實時動態曲線顯示.

2.2 系統的總體方案

基于激光法的Na2SO4溶液電導率測量系統結構如圖1所示. 利用加熱臺給溶液升溫，通過測量溶液的透射光強度實時計算溶液當前溫度的電導率值，并應用Origin軟件實時畫出溶液電導率的動態曲線.

1.激光器 2.偏振片 3.比色皿(內裝Na2SO4溶液)4.加熱臺 5.光強接收器 6.光功率計控制器 7.計算機圖1 基于激光法的Na2SO4溶液電導率測量系統示意圖

3 系統定標

3.1 樣品的制備

用天平稱取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. 最后將調配好的Na2SO4溶液倒入比色皿中.

3.2 標定數據

根據文獻[4]，可以得到相同濃度的Na2SO4溶液在不同溫度(40,45,50,55,60 ℃)下電導率標準值，同時利用所搭建系統，取輸入光強Iin分別為90.5,95.5,100.5,105.5,110.5 μW,測量Na2SO4溶液在對應溫度時輸出光強Iout(多次測量，取平均值)，并計算吸光度lg (Iin/Iout)(多次測量，取平均值)，如表1所示. (標定時利用油浴加熱，使溶液穩定升溫)

3.3 數據擬合

已知溶液厚度b=0.05 m，溶液質量濃度C=13.04%，利用最小二乘法進行擬合，得到最優的擬合函數為

κ=f(m)=0.691m2-10.007m+44.2，

(7)

表1 不同溫度下電導率值和輸出光強值

圖2 電導率κ和摩爾吸光系數m的定標曲線

4 電導率的實時測量

測量系統如圖3所示. 打開激光器和光功率計控制器開關后，調整偏振片使得光功率計讀數在100 μW左右，選定光強為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，為防止溶液散熱或蒸發過快，比色皿罩上保溫罩. 控制加熱臺持續升溫，在溶液升溫至60 ℃的過程中，利用光功率計每隔1 s實時動態測得透射光強，如圖5所示. (加熱臺顯示溫度非溶液實際溫度，加熱臺只起到給溶液升溫作用)

應用Origin軟件，根據定標式(7)計算并畫出當前Na2SO4溶液電導率的實時動態曲線圖，在計算機上顯示，如圖6所示. 在加溫過程中，會引起溶液對流，導致溶液中各處溫度不均勻，故需等到溶液溫度穩定后再進行激光測量. 另外，實驗系統的測量也可以不必等到溶液達到穩定狀態，由于加溫過程中溶液內不同梯度位置的電導率不同，可以通過改變激光位置，測量溶液的電導率分布情況. (確定“溶液穩定”的一般步驟：設置加熱臺溫度恒定，連續間隔一定時間測量溶液溫度后，若溶液溫度不再變化，則可判斷溶液溫度達到穩定. 由于測量溫度會引起溶液擾動，故還需再靜置一段時間才能繼續進行激光測量.)

圖3 測量系統結構

圖4 調節入射光光強

圖5 升溫過程

圖6 Na2SO4溶液電導率的實時動態曲線

5 結束語

使用激光法實時測量溶液的電導率，靈敏度高，反應速度快，可以實時監測溶液電導率變化；該方法是非接觸測量，保證溶液在測量過程中不被污染，也能準確測量強腐蝕性溶液的電導. 由于無需接觸溶液本身，對高溫高壓、腐蝕性和易被污染的溶液的電導率測定有著十分重要意義. 該測量系統結構簡單，成本低廉，在工業生產和實際生活中有著廣闊的應用前景. 但是該系統由于實驗條件的限制以及溶液蒸發的影響，低溫和高溫情況下不同濃度溶液的電導率的精確測量有待進一步探索.