misura delle proprietà spettrofotometriche dell`acqua

MISURA DELLE PROPRIETÀ SPETTROFOTOMETRICHE DELL’ACQUA
SOTTOPOSTA AD ULTRASUONI E VARIAZIONI DELLA TEMPERATURA
G. Moncada Lo Giudice (*) ,F. Rossi (**), U. Di Matteo (***)
1. Introduzione
Lo scopo della ricerca è lo studio delle proprietà spettrofotometriche dell’acqua sottoposta ad
ultrasuoni al variare della temperatura e della frequenza degli ultrasuoni stessi. In particolare, è stato
misurato l’andamento del coefficiente di assorbimento dell’acqua, individuando il valore della
temperatura e della frequenza degli ultrasuoni per i quali l’assorbimento è massimo nello spettro
visibile. Allo scopo, è stato realizzato in laboratorio un apparato sperimentale che può essere inserito
all’interno di uno spettrofotometro e consente di regolare la temperatura del campione d’acqua in
prova e la frequenza della sollecitazione meccanica. E’ stato osservato un rilevante incremento del
coefficiente di assorbimento dell’acqua nello spettro del visibile quando la frequenza degli ultrasuoni è
pari a 30Khz e per una temperatura dell’acqua di circa 80°C. Tale comportamento può essere
convenientemente sfruttato per la produzione di idrogeno: infatti la molecola dell’acqua può essere
dissociata mediante l’effetto combinato della fotolisi (energia solare) e della sonolisi (ultrasuoni): la
sola luce del sole (all’interno dell’atmosfera terrestre), infatti, non possiede livelli di energia sufficienti
per dissociare, in modo permanente, la molecola dell’acqua.
2. Apparato sperimentale
L’apparato sperimentale è così costituito: la cella di misura, che contiene il campione di acqua in
prova, è in Suprasil (quarzo sintetico ad alta purezza ed omogeneità), trasparente nell’intervallo di
lunghezze d’onda da 200 a 2500nm. La cella è ancorata in un portacella metallico la cui temperatura
può essere opportunamente variata mediante una pompa di calore ad effetto Peltier (modello CP-2127-06L prodotta dalla Melcor), regolata attraverso un termostato elettronico digitale. Questo
strumento rileva la temperatura dell’acqua all’interno della cella mediante un termoresistore PT100 e,
in base al valore misurato dalla sonda termica, interviene sull’alternatore che alimenta la pompa di
calore ad effetto Peltier. Sulle pareti esterne della cella di misura, sono installati quattro attuatori
piezoelettrici in grado di indurre ultrasuoni nel campione di acqua. La configurazione con quattro
attuatori piezoelettrici è stato dimostrato essere quella che consente il massimo trasferimento di
energia meccanica all’acqua. Gli attuatori piezoelettrici sono realizzati in una mescola ceramica
SONOXP4, caratterizzata da elevati valori dei fattori d’accoppiamento, da una eccellente stabilità
meccanica e che consente ampiezze di oscillazione elevate. Gli attuatori sono alimentati da un
amplificatore di potenza (modello 603-1-H-CE prodotto dalla Trek), la cui frequenza può essere
opportunamente variata. Il sistema ha dimensioni tali da poter essere inserito all’interno dello
spettrofotometro (modello Cary 2300 prodotto dalla Varian), in modo che il cammino ottico del fascio
luminoso possa attraversare indisturbato la cella di misura. Lo spettrofotometro è stato utilizzato per
valutare le proprietà spettrofotometriche dell’acqua nell’intervallo di lunghezze d’onda comprese tra
(*)
Gino Moncada Lo Giudice, Dipartimento di Fisica Tecnica Università “La Sapienza” di Roma.
Federico Rossi, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Perugia.
(***)
Umberto Di Matteo, Ministero dell’Ambiente.
(**)
185 ed 1200nm, impiegando due tipi di sorgenti di radiazioni e due diversi sensori. Nel caso specifico,
è utilizzata una lampada al deuterio nell'intervallo di lunghezze d’onda 185nm ÷ 340nm, una lampada
al tungsteno/alogeno nell'intervallo 340nm ÷ 1200nm [1]. Il portacella è dotato di un sistema di
smaltimento del calore ad acqua in circolazione forzata, che garantisce ottimali condizioni di lavoro ai
sensori moltiplicatori dello spettrofotometro. In figura 1 è riportata la fotografia e lo schema progettuale
dell’apparato sperimentale realizzato in laboratorio.
Fig. 1: fotografia e schema dell’apparato sperimentale
3. Metodo di misura
E’ stata condotta una campagna di misure fotometriche nell’intervallo di lunghezze d’onda comprese
tra 185 ed 1200nm su un campione di acqua bidistillata di volume 25 cm3, contenuto all’interno della
suddetta cella di misura. Una prima misura è stata condotta con la cella di misura priva di acqua in
modo tale da tarare il sistema di misura. Le successive misure sono state eseguite per diversi valori
della temperatura del campione di acqua in prova, partendo dalla temperatura iniziale di 30°C e
incrementando di volta in volta la temperatura di 5°C, fino a raggiungere il valore limite superiore
fissato a 80°C. Per ciascun valore della temperatura, sono state indotte nel campione ultrasuoni di
diversa frequenza, incrementata di volta in volta di 5KHz nell’intervallo da 15KHz a 100KHz. Per ogni
misura effettuata, è stata valutata la potenza elettrica assorbita dagli attuatori piezoelettrici,
moltiplicando la quale per un fattore di conversione noto è possibile ricavare la potenza meccanica
fornita al campione di acqua. In corrispondenza dell’intervallo di frequenze da 20KHz a 30KHz, la
campagna di misure è stata ripetuta incrementando di volta in volta la frequenza delle vibrazioni
meccaniche di 1KHz. Quest’ultima serie di misure ha permesso di individuare, al variare della
temperatura, la frequenza della sollecitazione meccanica per la quale si verifica il fenomeno della
cavitazione, fenomeno al quale è associato un notevole aumento delle proprietà assorbenti dell’acqua.
Infine, una seconda serie di misure è stata effettuata mettendo in soluzione il campione di acqua
bidistillata con ossido di Titanio (TiO2) al fine di verificare la modifica delle proprietà
spettrofotometriche dell’acqua bidistillata in soluzione.
4. Risultati
La misura dello spettro di trasmissione dell’acqua bidistillata a temperatura ambiente mostra un valore
circa costante pari a 0.9 nello spettro visibile. Prove successive sono state effettuate aumentando di
volta in volta la temperatura dell’acqua di 5°C fino al raggiungimento della temperatura di 80°C. In
Fig.2 sono riportati gli andamenti della trasmittanza dell’acqua alle temperature di 30, 40, 50, 60, 70,
80°C. Valori elevati della temperatura, anche se in maniera modesta, favoriscono un aumento di
assorbimento su quasi tutto l’intervallo di lunghezze d’onda indagato. In Fig.2 è altresì riportato
l’andamento del coefficiente di trasmissione dell’acqua sottoposta ad ultrasuoni alla frequenza di
30Khz e potenza di 2W (potenza elettrica assorbita dagli attuatori piezoelettrici) al variare della
temperatura. E’ stato osservato che la frequenza di 30Khz è quella che produce i maggiori effetti. Gli
ultrasuoni determinano una diminuzione del coefficiente di trasmissione con conseguente incremento
dell’energia assorbita da parte dell’acqua in tutto lo spettro visibile. Gli ultrasuoni determinano inoltre
una più marcata dipendenza del coefficiente di trasmissione dalla temperatura. Tale effetto è dovuto,
probabilmente, alla presenza di fenomeni di cavitazione che sono causati dagli ultrasuoni e favoriti
dalla presenza di bolle di gas all’interno del liquido; la formazione di bolle è, a sua volta, favorita da
valori elevati della temperatura.
100
90
Trasmittanza (%)
80
T [°C]
70
60
50
40
30
T [°C]
20
10
0
185
285
385
485
585
685
785
nm
acqua a 30°C
acqua a 40°C
acqua a 50°C
acqua a 60°C
acqua a 70°C
acqua a 80°C
30°C con ultrasuoni a 30 KHz
40°C con ultrasuoni a 30 KHz
50°C con ultrasuoni a 30 KHz
60°C con ultrasuoni a 30 KHz
70°C con ultrasuoni a 30 KHz
80°C con ultrasuoni a 30 KHz
Fig. 2: trasmittanza dell’acqua al variare della temperatura.
5. Conclusioni
Sono state effettuate misure delle proprietà spettrofotometriche dell’acqua al variare di temperatura e
frequenza di una sollecitazione prodotta da ultrasuoni. Utilizzando un apparato sperimentale,
appositamente realizzato, si è verificato che un aumento della temperatura da 30°C a 80°C favorisce,
solo in maniera modesta, l’assorbimento dell’energia solare da parte dell’acqua. E’ stato osservato,
inoltre, che sollecitando l’acqua con ultrasuoni alla frequenza di 30Khz, si introducono nuove bande di
assorbimento in corrispondenza delle lunghezze d’onda dello spettro visibile. Una possibile
applicazione di tale risultato è lo sfruttamento dell’energia solare, combinata con l’effetto degli
ultrasuoni, per la produzione dell’idrogeno; gli ultrasuoni, infatti, determinano un maggior
assorbimento dell’energia solare da parte dell’acqua che, per opportuni valori di irradiazione e di
temperatura, può consentire la dissociazione della stessa molecola dell’acqua e la conseguente
produzione di idrogeno. E’ già in fase di progettazione un particolare pannello solare per la produzione
dell’idrogeno, il cui funzionamento si basa sui principi di captazione tradizionali accoppiati ad un
dispositivo di sollecitazione ad ultrasuoni. Le prime previsioni teoriche di funzionamento del pannello
sono incoraggianti.
6. Bibliografia
[1]
“Cary 2300 and Cary 2400 UV-Visible-NIR Spectrophotometers”, Operation Manual, Varian;
[2]
M. Becucci, S. Cavalieri, R. Eramo, L. Fini, M. Materazzi: “Raman spectroscopy for water
temperature sensing”, Laser Physics 9, 1999, 422-425;
[3]
N. V. Dezhkunov: “Dependence on Temperature of Multibubble Sonoluminescence Intensity”,
ICA 2001, Rome;
[4]
K. Yasui: “Temperatures in Multibubble Sonoluminescence”, ICA 2001, Rome;
[5]
G.C. Pimental, A.L. McClellan: “The Hydrogen Bond”, 1960, Freeman, San Francisco;
[6]
K. Buijs, G.R. Choppin: “Near Infrared Studies of the structure of water. I: Pure water”,
J Chem Phys 39 (8), 2035-2041, 1963.