Вода в ацетоне

Вода в ацетоне не видна глазом и не отделяется в отдельную фазу, поэтому определение воды в ацетоне возможно только инструментально. Kemtrak указывает ацетон среди подтверждённых применений NIR-измерения воды в растворителях. Разбираем, как устроен метод, от чего зависит настройка анализатора и чем онлайн-контроль воды отличается от лабораторного титрования.

Почему содержание воды в ацетоне нужно контролировать

Массовая доля воды входит в показатели качества ацетона. Даже следовые количества воды в растворителях влияют на выход реакций, стабильность продукта и работу процесса, прежде всего в фармацевтическом синтезе.

Ацетон смешивается с водой в любых соотношениях, поэтому попавшая в поток влага остаётся растворённой. Без анализа воды в ацетоне отклонение обнаруживается только по результату партии.

Как определяют воду в органических растворителях

Классический лабораторный метод - титрование по Карлу Фишеру. Для ацетона у него есть особенность: кетоны реагируют со спиртовым компонентом стандартных реагентов с образованием кеталей, при этом выделяется вода, и результат завышается. Производители реагентов рекомендуют для кетонов специальные безметанольные составы, а для ацетона - объёмное, а не кулонометрическое титрование.

Второй подход - определение воды в растворителях прямо в трубопроводе по поглощению в ближней инфракрасной области (NIR): без реагентов и отбора проб, с непрерывным обновлением результата.

Как работает NIR-анализ воды в анализаторе Kemtrak

Вода поглощает NIR-излучение за счёт связей O-H. Анализатор пропускает свет через измерительную ячейку и рассчитывает концентрацию по закону Бугера - Ламберта - Бера: поглощение пропорционально концентрации и длине оптического пути.

Фотометр Kemtrak DCP007-NIR работает на двух длинах волн: рабочая попадает в полосу воды, опорная - туда, где поглощение минимально (на графике ниже 1300 нм). По опорному каналу прибор учитывает мутность, пузырьки, частицы и загрязнение оптических окон.

NIR-спектры поглощения воды и этанола: области около 1400 и 1900 нм. На графике показаны вода и этанол при разных температурах. Это иллюстрация принципа, а не спектр ацетона.

Области 1400 и 1900 нм

Диапазон концентраций и оптический путь

Прибор измеряет разницу между поглощением воды и фоном растворителя на выбранной длине волны и длине оптического пути. В примере Kemtrak для этанола при пути 1,5 мм она составляет около 1,8 AU на 1440 нм и около 9 AU на 1930 нм.

Сигнал воды должен оставаться ниже 2 AU, фон - не выше 1 AU; разрешение прибора 0,001 AU. Для высоких концентраций берут 1400 нм и короткий путь, для следовых - 1900 нм и более длинный путь, предел которому задаёт фон растворителя. Для жидкостей с почти нулевым поглощением около 1900 нм, например тетрахлорметана, Kemtrak приводит путь 20 см и разрешение лучше 1 ppm.

Опубликованного предела обнаружения именно для ацетона в материалах Kemtrak нет. Для ацетона конфигурация подбирается по его фоновому NIR-поглощению, диапазону воды и температуре процесса.

Температура и изобестическая точка

NIR-поглощение многих жидкостей меняется с температурой, и это искажает показания. В изобестической точке поглощение одинаково при разных температурах, поэтому Kemtrak по возможности настраивает фотометр на заводе на эту длину волны.

Лучший результат - при стабильной температуре. Если она колеблется больше чем примерно на 10 °C, её измеряют датчиком и подают сигнал на Kemtrak 007 для компенсации.

Растворённая и дисперсная вода

Во многих органических жидкостях растворимость воды низкая: в гексане около 100 ppm, в керосине около 5 ppm. Избыток воды образует капли и мутную эмульсию, которая искажает NIR-измерение. Опорный канал DCP007-NIR позволяет учитывать и растворённую, и взвешенную воду. Альтернатива для концентраций выше предела растворимости - турбидиметр Kemtrak TC007.

Дисперсная вода в керосине при концентрациях 1000, 500, 250 и 125 ppm. Снимок показывает, как выглядит вода выше предела растворимости в углеводороде.

Для чистого ацетона сценарий нетипичен: он смешивается с водой полностью, эмульсия от избытка воды не образуется. Это актуально для углеводородных растворителей и топлив.

Онлайн-контроль или титрование Карла Фишера

Kemtrak рассматривает анализатор как альтернативу титрованию Карла Фишера в технологическом контроле; лабораторный анализ удобно сохранить для периодической сверки.

Оборудование Kemtrak для измерения влаги в ацетоне

Kemtrak DCP007-NIR

Двухволновый NIR-фотометр для непрерывного измерения воды и следовой воды в растворителях. Включает блок управления с источником и детекторами, проточную ячейку в трубопроводе и оптоволокно между ними. В ячейке нет электроники и движущихся частей, окна сапфировые, поэтому схема подходит для взрывоопасных зон - это актуально для ацетона; доступно исполнение ATEX. Выходы 4–20 мА, Modbus TCP/IP, опционально Profibus. Длина волны и оптический путь задаются на заводе.

DCP007-NIRL и DCP007-NIRH

Для длин волн выше 1500 нм нужны специальный NIR-светодиод и детектор InGaAs. Источник и детектор термостабилизированы многоступенчатыми элементами Пельтье, чтобы исключить дрейф.

Kemtrak TC007

Промышленный турбидиметр: светодиод 850 нм, нефелометрический метод по ISO 7027, 0,01–1000 NTU. Его выбирают, когда вода выше предела растворимости образует эмульсию, то есть в углеводородных средах. Для воды в чистом ацетоне основным прибором остаётся Kemtrak DCP007-NIR.

Что подготовить для подбора конфигурации

• диапазон содержания воды и требуемое разрешение;
• состав потока: чистый ацетон или смесь;
• диапазон температур в точке измерения;
• диаметр трубопровода и тип присоединения;
• класс взрывоопасной зоны.

По этим данным подбирают модель, длину волны, оптический путь и при необходимости температурную компенсацию.