Аспирант ТПУ создает уникальный датчик
ПРОЕКТ ТИМОФЕЯ РАДЕНКОВА «РАЗРАБОТКА КОМПОЗИТНОГО ХИНГИДРОННОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ PH ПРИРОДНЫХ ВОД» ПОЛУЧИЛ ПОДДЕРЖКУ В РАЗМЕРЕ 400 ТЫСЯЧ РУБЛЕЙ ОТ ФОНДА СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ МАЛЫХ ФОРМ ПРЕДПРИЯТИЙ В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СФЕРЕ, СТАВ ОДНИМ ИЗ ПОБЕДИТЕЛЕЙ НА РЕГИОНАЛЬНОМ СМОТРЕ-КОНКУРСЕ «УМНИК». РАЗРАБОТКА ОТЛИЧАЕТСЯ ТОЧНОСТЬЮ РЕЗУЛЬТАТОВ И УДОБСТВОМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ. В НЕЙ ЗАИНТЕРЕСОВАНЫ САМЫЕ РАЗНЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ: ОТ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ ДО ФИРМ ПО БУРЕНИЮ СКВАЖИН ПОД ВОДУ.
Что такое pH-фактор и кому он нужен? Термин «рН» произошел от латинского pondus Hydrogeni — «вес водорода» — и является водородным показателем. В зависимости от концентрации водорода в той или иной среде изменяется ее кислотность. Шкала рН составляет 14 единиц. Если значение меньше семи, то среда кислая, если больше — щелочная. Кока-кола, уксус и пиво — кислые продукты, а морская вода, мыло и отбеливатель — напротив, щелочные.
Сегодня о важности и необходимости контроля значения рН говорят врачи, косметологи, диетологи, производители продуктов питания и напитков, средств гигиены и косметики, садоводы, агрономы и даже специалисты по бурению скважин и прокладке трубопроводов. Дело в том, что водородный показатель — это индикатор нашего здоровья, а его поддержание является необходимым условием благополучной жизнедеятельности живых организмов и растений, залогом успешного функционирования технических систем.
Для человека жизненно важно, чтобы рН крови был равен 7,30–7,42. За поддержание оптимального кислотно-щелочного баланса в нашем организме отвечают системы пищеварения, дыхания и выделения. Сдвиг показателя рН хотя бы на 0,1 может привести к тяжелой патологии. Для растений важен кислотно-щелочной баланс почвы. Так, кислая почва является благоприятным условием для отложения тяжелых металлов и нейтрализует деятельность полезных бактерий, участвующих в разложении удобрений или накапливании азота в почве, тем самым замедляя рост растений.
Не меньшее значение и для человека, и для растений имеет рН воды. Жидкости, которые мы пьем, должны иметь слабощелочную реакцию и находиться в пределах от 7,5 до 8,5 рН. А для зеленых растений идеальным считается рН воды от 5 до 6 единиц.
Что касается техники и различных металлических конструкций (свай, труб, котлов и т. п.), то для их эксплуатации необходимо знать рН воды и почвы. Вода с низким рН-фактором (кислая среда) обладает высокой коррозионной активностью, а значит, увеличивается вероятность неисправностей в водоочистном оборудовании и водопроводах.
Аналогичными коррозийными свойствами обладают грунты: и в кислых, и в сильнощелочных почвах разрушение металлов ускоряется, достигая потерь до 4 % ежегодно.
Способы измерения рН: новый метод
Традиционно уровень рН измеряют тремя способами. Первый, простой и неточный — использование лакмусовых бумажек, которые меняют цвет в зависимости от среды: щелочная — синий, кислая — красный. Второй, более точный, называется потенциометрическим, он заключается в измерении потенциала системы, например, какого-либо раствора. Третий, сложный и требующий специальных лабораторных условий способ, основанный на количественном анализе, — это титрование.
Потенциометрический способ измерения рН стеклянным электродом считается эталонным — на данный момент более точного метода определения кислотно-щелочного баланса не существует. Его применяют в исследованиях для подтверждения ГОСТов. Среди его недостатков — относительно высокая стоимость, хрупкость и капризность в использовании. Работа со стеклянным электродом требует определенной подготовки и квалифицированных специалистов.
Другой метод потенциометрического измерения рН основан на применении хингидронного электрода, чувствительного к изменению pH. В его состав входит порошок из кристаллов зеленого цвета, состоящий из двух веществ: хинона и гидрохинона. Чтобы сделать хингидронный электрод, достаточно насыпать порошок в воду и опустить в нее платиновую проволочку. В итоге получается электрод. Идея аспиранта ИНК Тимофея Раденкова заключается в отказе от классического использования порошка хингидрона, так как этот метод требует лабораторных условий: порошок приходится постоянно досыпать, ждать, пока он растворится, а сама система неустойчива — она окисляется и со временем перестает работать.
— Моя разработка позволит использовать хингидронный электрод практически в любых условиях, — отметил победитель конкурса «УМНИК». — Он будет достаточно чувствительным, точным и удобным в использовании.
Новый электрод состоит из смеси хингидрона, графита и композита (это может быть пластмасса, эпоксидная смола или силикон). Для его работы требуется лишь контакт из платины или титана. При проведении исследования между двумя электродами находится вольт- метр, который измеряет потенциал и переводит полученные данные в единицы рН.
В принципе, датчик можно сравнить с простым карандашом, где в качестве стержня выступают порошок хингидрона и графит, запакованные в полимер. Датчик, как и карандаш, при каждом использовании стирается — уменьшается на одну дозу активного вещества — хингидрона. Со временем он полностью стирается, и его можно легко поменять на новый.
В ходе исследований Тимофей Раденков не только сумел подобрать нужную концентрацию хингидрона и других элементов, но и пришел к неожиданным выводам. В классическом варианте применения хингидронного электрода раствор, в котором происходит замер рН, необходимо доводить до насыщенного состояния, то есть насыпать порошок до тех пор, пока он не перестанет растворяться. При этом измерить кислотно-щелочной баланс можно только от 1 до 8 единиц шкалы рН. То есть если среда более щелочная, измерения провести невозможно.
Новый датчик, который создает аспирант ИНК, позволяет тщательно дозировать хингидрон и добавлять его в раствор минимальными порциями. — Опыт показал, что, если добавлять порошок по чуть-чуть, результаты измерения рН будут не менее точными, чем при использовании насыщенного раствора, — пояснил Тимофей. — Кроме того, расширяется диапазон действия электрода до 12 единиц по шкале рН.
Таким образом, при меньших ресурсных затратах получается более точный результат. В этом смысле формула Тимофея Раденкова стала уникальной. До этого в нашей стране никто не пытался создать хингидронный электрод на основе композита и графита.
Потребители, конкуренты и первые результаты
Тимофей Раденков уже завершил испытания хингидронного датчика на воде. Следующий этап — проведение исследований на образцах почвы. Чтобы представить датчик потенциальным заказчикам, необходимо добиться стабильной работы и отточить воспроизводимость, чтобы из 1000 измерений 999 были точными.
Разработка аспиранта ТПУ может занять достойную нишу на рынке рН-комплектующих. Ведь на сегодняшний день на отечественном рынке нет датчиков, использующих для измерения pH хингидронный электрод. Стеклянные датчики значительно дороже и требуют специальных условий для использования, а более дешевые приборы имеют низкую точность. Потребителями могут стать самые разные предприятия, начиная с производителей различных продуктов питания и заканчивая фирмами по бурению скважин под воду. Поскольку новый датчик будет отличаться прочностью и простотой использования, с его помощью будут проводить измерения и в полевых условиях.
Лариса Богомазова