ПЛАНАРНЫЙ МИКРОТЕРМОДЕСОРБЕР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Полезная модель относится к газовой хроматографии и может быть использовано для концентрирования примесей в газовых средах методом твердофазной экстракции с последующей термодесорбцией в хроматографическую колонку для анализа в химической, нефтяной, газовой отраслях промышленности, медицине, экологии, криминалистике, парфюмерии и др.
Известны различные термодесорберы для хроматографического анализа примесей летучих органических и неорганических веществ в различных газовых средах, реализующие процессы концентрирования примесей методом твердофазной экстракции (ТФЭ) при низкой температуре адсорбента и их десорбцию при более высокой температуре. Процессы ТФЭ обычно проводят в коротких трубках длиной 100-120 мм с внутренним диаметром 3-4 мм. Трубку заполняют соответствующим адсорбентом и продувают фиксированным объемом исследуемого газа. В последнее время в аналитической практике используют метод твердофазной микроэкстракции (ТФМЭ), заключающийся в том, что адсорбцию примесей проводят на сорбенте, нанесенном на поверхность выдвижного штока иглы дозирующего микрошприца, а десорбцию - непосредственно в испарителе хроматографа, (см.: Яшин Я.И., Яшин Е.Я., Яшин А.Я. Газовая хроматография. М.: «ТрансЛит», 2009. С. 425-443).
Известны способы и устройства получения планарных колонок на кремниевых пластинах с использованием современных МЭМС-технологий, при которых каналы для колонки на кремниевой пластине получают методом фотолитографии и химического травления с последующей герметизацией этих каналов путем электрического (анодного) сращивания со стеклом марки Пирекс. (см.: Козин С., Федулов А., Пауткин В., Баринов И., Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС - технологий // Компоненты и технологии, 2010. №1. С. 24-27).
Известен также способ и устройство получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах не только из кремния, но и из других материалов: стекла, различных металлов или полимеров. При этом каналы на плоских пластинах получают методом лазерной абляции, а их герметизацию после заполнения сорбентом проводят с помощью дополнительной пластины через прокладку из полимерной пленки при воздействии температуры под вакуумом, (см.: Платонов И.А., Арутонов Ю.И., Голубев О.Н., Платонов В.И., Никитченко Н.В. Способ получения микрохроматографических колонок на плоских пластинах. Патент РФ №2540231 опубл. 10.02.2015 г. // МПК G01N 30/56).
Однако известные способы и устройства проведения процессов ТФЭ с последующей термодесорбцией являются дискретными и обладают недостаточной воспроизводимостью результатов анализа. Кроме того, известные способы и устройства получения каналов на плоских пластинах для заполнения сорбентом сложные в изготовлении и не всегда обеспечивают достаточную точность геометрических размеров этих каналов.
Наиболее близким к полезной модели по совокупности существенных признаков является двухступенчатый термодесорбер ТДС-1, предназначенный для проведения анализа летучих компонентов в воздухе. Наличие дополнительной сорбционной трубки позволяет проводить фокусирование пробы перед направлением ее в хроматографическую колонку. Трубка охлаждается элементами Пельтье до минус 20°C. После завершения процесса сорбции трубка быстро нагревается со скоростью 2000°C/мин и анализируемые компоненты узкой зоной направляются в хроматографическую колонку. Десорбция с сорбционной трубки осуществляется в обратном направлении, чем при сорбции. Таким образом, менее летучие компоненты не контактируют с адсорбентом (см.: http://www.chromatec.ru/products/peripherals/termodesorber_tds_1_dvukhstadiynyy_/).
Недостатками известного термодесорбера ТДС-1 являются:
- Большие габариты устройства
- Сложность проведения анализа в две стадии
- Повышенное энергопотребление, связанное с быстрым разогревом сорбционной трубки
Задачей полезной модели является миниатюризация конструкций с использованием новых МЭМС - технологий и упрощение методики анализа летучих примесей в газовых средах.
Эта задача решается за счет того, что в планарном микротермодесорбере непрерывного действия для газовой хроматографии содержатся две сорбционные трубки с элементами Пельтье для охлаждения при адсорбции примесей и нагревания при их десорбции, трубки заполнены соответствующим сорбентом для адсорбционного концентрирования летучих примесей органических и неорганических веществ из газовых сред и их последующей термодесорбции с сорбционных трубок в обратном направлении, чем при сорбции, в хроматографическую колонку для анализа, причем каналы для сорбционных трубок имеют одинаковую геометрию и выполнены на плоских металлических пластинах методом микрофрезерования с возможностью поочередного подключения к хроматографической колонке в качестве объема дозы с помощью четырех электропневмораспределителей для реализации непрерывного процесса анализа.
При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в получении сорбционных трубок на плоских металлических пластинах с одинаковой геометрией каналов и создании непрерывно действующего микротермодесорбера для газовой хроматографии.
Предлагаемый планарный микротермодесорбер непрерывного действия характеризуется новой совокупностью существенных признаков, обеспечивающей достижение технического результата, что позволяет значительно уменьшить габариты и существенно упростить методику анализа летучих примесей исследуемых веществ в различных газовых средах за счет непрерывного процесса анализа сконцентрированных примесей.
Полезная модель поясняется чертежом.
Планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии содержит два адсорбера 1 и 2, выполненные в виде каналов длиной 140 мм с квадратным сечением 0,6×0,6 мм на предварительно отшлифованных до 6-го класса точности плоских пластинах из алюминия АМГ-6, и заполненные адсорбентом Carbopack В (диаметр частиц 0,10-0,12 мм), элементов Пельтье 3 и 4 для их нагрева или охлаждения, плоскую пластину 5 из алюминия АМГ-6 для печатного монтажа четырех электропневмораспределителей (ЭПР) 6-9 и блок управления 10, вход потока исследуемого газа 11, вход потока газа-носителя 12 и выход потока газа из адсорберов в хроматографическую колонку 13.
ЭПР 6 коммутирует поток исследуемого газа поочередно на входы адсорбера 1 или 2, ЭПР 7 переключает выход адсорберов 1 или 2 в линию сброса. ЭПР 8 подключает выход адсорберов 1 или 2 к линии газа-носителя хроматографа. ЭПР 9 соединяет вход адсорберов 1 или 2 с хроматографической колонкой. Блок управления 10 по заданной программе переключает ЭПР 6 - ЭПР 9 и включает элементы Пельтье для охлаждения при сорбции примесей или для нагрева при термодесорбции примесей.
Планарный микротермодесорбер непрерывного действия для газовой хроматографии работает следующим образом.
c
c
3
Для оценки работы предлагаемого планарного микротермодесорбера использовали газовый хроматограф Кристалл 5000.1, ЗАО «СКВ "Хроматэк"» с пламенно-ионизационным детектором и микронасадочной колонкой длиной 0,4 м, внутренним диаметром 0,75 мм, заполненной сорбентом Carbopack В, зернением 0,10-0,12 мм. Температура колонки T=50°C, газ-носитель - азот, расход на выходе колонки F=10 см/мин.
В качестве объема дозы при анализе исследуемого газа использовали поочередно газовые объемы адсорберов 1 или 2, которые не превышают 50 мкл каждый.
ЭПР 6-9 имеют два положения, первое из которых - низкотемпературная адсорбция примесей (операция «набор»), второе - термодесорбция (операция «анализ»). Когда в адсорбере 1 выполняется операция «набор» и включается элемент Пельтье 3 для охлаждения, то в адсорбере 2 выполняется операция «анализ» при включенном элементе Пельтье 4 для нагрева и термодесорбции примесей обратным потоком газа-носителя через адсорбер 2 в хроматографическую колонку для анализа.
Операция «набор» в адсорбере 1 и операция «анализ» в адсорбере 2 выполняются при выключенных ЭПР 6 - ЭПР 9. При этом исследуемый газ поступает на вход адсорбера 1 через ЭПР 6 и сбрасывается в линию сброса через ЭПР 7, а газ-носитель через ЭПР 8 поступает на выход адсорбера 2 и десорбирует примеси в обратном направлении через ЭПР 9 в хроматографическую колонку для анализа.
Операция «набор» в адсорбере 2 и операция «анализ» в адсорбере 1 выполняются при включенных ЭПР 6 - ЭПР 9 аналогично описанной выше последовательности переключения потоков. Управление работой ЭПР и выключением элементов Пельтье для охлаждения и нагрева адсорберов осуществляется по заданной программе блоком управления 10. Низкотемпературная адсорбция исследуемого газа в адсорберах (при операции «набор») проводится до достижения проскока. После чего выполняется операция «анализ».
Использование предлагаемой полезной модели позволяет:
1) организовать серийное производство газохроматографических анализаторов летучих примесей в различных газовых средах на основе новых и совершенных МЭМС-технологий;
2) значительно упростить методику анализа примесей благодаря непрерывно действующему микротермодесорберу;
3) разработать и выпускать отечественные микрохроматографы и микроанализаторы для контроля качества различных продуктов, например, природных и нефтяных газов, мониторинга вредных веществ в воздухе и др.