基于激光法实时动态测量Na2SO4溶液电导率

倪恩科,谢 静,程其娈

(华中农业大学 理学院,湖北 武汉 430070)

电导率是描述物质中电荷流动难易程度的参量，是用来表征物质传输电流能力强弱的物理量. 电导率作为电解质溶液特性的重要指标，在微电子制造、环境监测、海洋科学、生物制药、化学工程等领域都有着广泛的应用. 目前，溶液电导率测量主要分为非接触式测量和接触式测量. 其中，接触式测量方法有直流测量法、交流测量法[1]、双频率测量法[2]、范德堡法[3]等. 某些接触式测量方法虽能达到很高的精度要求，但也存在局限性. 对于强腐蚀性、高温高压、易被污染的电解质溶液电导率的测定，接触式测量就会有许多劣势. 本文使用非接触式测量方法，通过监测激光穿过溶液前后光强的变化，实时动态监测溶液的电导率.

1 激光法实时动态测量原理

电导率κ是描述电解质溶液导电能力的宏观物理量. 从微观角度看，电解质溶液导电能力取决于单位体积内的带电粒子数(离子浓度)、离子带电荷数以及带电离子在溶液中的迁移速度. 虽然对于某一种电解质溶液，离子带电荷数一定，但电解质溶液的浓度c、温度t以及压力p不同，离子浓度及离子迁移速度就不同，溶液电导率值也就不同. 电解质溶液的浓度c、温度t、压力p是影响电导率的宏观物理量，即电导率是这三者的函数

κ=f(p,t,c),

(1)

当压力p和浓度c一定时，溶液的电导率κ随温度t的增加而增加，根据Na2SO4溶液在不同温度下电导率的标准值[1]可以拟合出温度和电导之间的函数关系，在35～60 ℃存在关系式

κ=f(t).

(2)

根据朗伯比尔定律，溶液对入射光强度吸收的能力和溶液自身浓度、液层厚度之间的关系为

(3)

其中，A为吸光度，Iin和Iout分别为入射光强度和透射光强度，T为透射比，m为溶液的摩尔吸光系数(与溶液的温度t，压强p等有关)，c为溶液的浓度，b为入射光从进入到离开溶液的距离，即溶液厚度.

当温度升高时，溶液的摩尔吸光系数m和温度t之间有函数关系

t=f(m).

(4)

因此，在温度t升高时，结合式(2)和式(4)，摩尔吸光系数m和溶液的电导率κ之间函数关系为

κ=f(m).

(5)

结合式(3)，得到

(6)

因此，当溶液厚度b、溶液浓度c、输入光强Iin已知，通过测量Iout就能得到相应的电导率κ的值.

2 实验装置

2.1 系统的技术参量

测量对象为Na2SO4溶液，温度范围为35～60℃，采样时间间隔1 s，采用实时动态曲线显示.

2.2 系统的总体方案

基于激光法的Na2SO4溶液电导率测量系统结构如图1所示. 利用加热台给溶液升温，通过测量溶液的透射光强度实时计算溶液当前温度的电导率值，并应用Origin软件实时画出溶液电导率的动态曲线.

1.激光器 2.偏振片 3.比色皿(内装Na2SO4溶液)4.加热台 5.光强接收器 6.光功率计控制器 7.计算机图1 基于激光法的Na2SO4溶液电导率测量系统示意图

3 系统定标

3.1 样品的制备

用天平称取15 g Na2SO4粉末，放入烧杯中，加入100 mL去离子水，用玻璃棒不断搅拌，直至溶解. 最后将调配好的Na2SO4溶液倒入比色皿中.

3.2 标定数据

根据文献[4]，可以得到相同浓度的Na2SO4溶液在不同温度(40,45,50,55,60 ℃)下电导率标准值，同时利用所搭建系统，取输入光强Iin分别为90.5,95.5,100.5,105.5,110.5 μW,测量Na2SO4溶液在对应温度时输出光强Iout(多次测量，取平均值)，并计算吸光度lg (Iin/Iout)(多次测量，取平均值)，如表1所示. (标定时利用油浴加热，使溶液稳定升温)

3.3 数据拟合

已知溶液厚度b=0.05 m，溶液质量浓度C=13.04%，利用最小二乘法进行拟合，得到最优的拟合函数为

κ=f(m)=0.691m2-10.007m+44.2，

(7)

表1 不同温度下电导率值和输出光强值

图2 电导率κ和摩尔吸光系数m的定标曲线

4 电导率的实时测量

测量系统如图3所示. 打开激光器和光功率计控制器开关后，调整偏振片使得光功率计读数在100 μW左右，选定光强为101.2 μW的激光作为入射光，如图4所示.

将装有Na2SO4溶液的比色皿放上加热台，为防止溶液散热或蒸发过快，比色皿罩上保温罩. 控制加热台持续升温，在溶液升温至60 ℃的过程中，利用光功率计每隔1 s实时动态测得透射光强，如图5所示. (加热台显示温度非溶液实际温度，加热台只起到给溶液升温作用)

应用Origin软件，根据定标式(7)计算并画出当前Na2SO4溶液电导率的实时动态曲线图，在计算机上显示，如图6所示. 在加温过程中，会引起溶液对流，导致溶液中各处温度不均匀，故需等到溶液温度稳定后再进行激光测量. 另外，实验系统的测量也可以不必等到溶液达到稳定状态，由于加温过程中溶液内不同梯度位置的电导率不同，可以通过改变激光位置，测量溶液的电导率分布情况. (确定“溶液稳定”的一般步骤：设置加热台温度恒定，连续间隔一定时间测量溶液温度后，若溶液温度不再变化，则可判断溶液温度达到稳定. 由于测量温度会引起溶液扰动，故还需再静置一段时间才能继续进行激光测量.)

图3 测量系统结构

图4 调节入射光光强

图5 升温过程

图6 Na2SO4溶液电导率的实时动态曲线

5 结束语

使用激光法实时测量溶液的电导率，灵敏度高，反应速度快，可以实时监测溶液电导率变化；该方法是非接触测量，保证溶液在测量过程中不被污染，也能准确测量强腐蚀性溶液的电导. 由于无需接触溶液本身，对高温高压、腐蚀性和易被污染的溶液的电导率测定有着十分重要意义. 该测量系统结构简单，成本低廉，在工业生产和实际生活中有着广阔的应用前景. 但是该系统由于实验条件的限制以及溶液蒸发的影响，低温和高温情况下不同浓度溶液的电导率的精确测量有待进一步探索.