Использование массообменной аппаратуры для автоматической пробоподготовки

УДК 66.03

А. А. Салин, А. Н. Горшунова, Н. С. Гришин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАССООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПРОБОПОДГОТОВКИ

Ключевые слова: химический анализ, оборудование лабораторий, подготовка проб, автоматизация и механизация аналитических исследований.

Представлены основные направления автоматизации исследований в аналитической лаборатории. Рассмотрены принципы построения комплексно-автоматизированных линий. Установлено, что одной из главных задач по оптимизации химико-аналитических лабораторий является интенсификация подготовки проб к анализу. Для решения указанной задачи рекомендуется использование разработанных центробежных экстракторов.

Keywords: chemical analysis, laboratory equipment, sample preparation, automation and mechanization of analytical studies.

The main trends of automatization of studies at the analytical laboratory are represented. The principles of construction of complex automated production lines are considered. It was established that one of the main tasks of optimizing chemical analytical laboratories is to intensify the preparation of samples for analysis. To solve this problem it is recommended to use the developed centrifugal extractors.

Учитывая тенденцию интенсификации загрязнений окружающей среды вредными и сильно ядовитыми веществами и значительного увеличения трудозатрат при анализе загрязнений окружающей среды представляется актуальной задача по повышению эффективности и автоматизации выполняемых работ.

В связи с этим чрезвычайно важное значение приобретают снижение трудоемкости анализа, повышение скорости его выполнения и производительности труда персонала лабораторий. Решить эти вопросы можно совершенствованием организации труда в лаборатории, разработкой новых высокопроизводительных методов анализа, внедрением механизации и автоматизации процесса, в том числе модернизацией конструкций массообменной аппаратуры [1].

Существующие в настоящее время методы и приборы позволяют провести практически любой анализ с заранее заданной точностью. Однако современная наука и техника все настойчивее требуют автоматизации труда в химико-аналитических лабораториях, так как при современных методах исследований требуется обработка большого количества различных измерений. Для этого необходимы приборы и устройства, механизирующие и автоматизирующие трудоемкие операции при производстве того или иного вида анализа, так как вручную уже невозможно достичь требуемой производительности, а в отдельных случаях - и точности анализа.

В различных методах анализа аналитические определения - последний этап - занимают меньше всего времени и почти не отличаются друг от друга. Следовательно, основным источником ускорения должна быть механизация промежуточных подготовительных операций.

Рассматривая тенденции развития аналитических лабораторий, можно отметить следующие направления [2, 3]:

1. Переход от классических объемных и весовых методов анализа к физическим и физико-химическим, как более чувствительным и быстрым.

Этот переход вызвал бурный прогресс и инструмен-тализацию анализа. Достижения последних лет в области аналитической химии, электроники и измерительной техники привели к тому, что сейчас аналитик должен уметь работать с десятью и более приборами.

2. Внедрение новых реактивов, главным образом, органических. Это вызвало появление новых аналитических приемов - экстракция, хроматогра-фическое разделение и др.

3. Растворы, пробоотборники, перемешивающие и фильтровальные устройства, агрегаты для мойки химической посуды и др.

Все это отразилось и на вопросах механизации и автоматизации работы химико-аналитических лабораторий. Например, развитие и внедрение новых физико-химических и физических методов анализа и присущая им инструментализация создали предпосылки для автоматизации анализов. Фотометрические, полярографические, спектральные методы во многих областях аналитической химии почти полностью заменили собой длительные весовые и объемные методы, требующие больших навесок анализируемого вещества, отделения мешающих примесей, сопровождаемые часто рядом сложных операций: такие прямые методы далеко не всегда применимы. Особенно это касается определений следовых количеств компонентов, компонентов с близкими аналитическими свойствами, когда для определения, безусловно, требуются отделение основы, выделение определяемого компонента или разделение компонентов с близкими аналитическими свойствами. В этом случае нельзя обойтись без ряда подготовительных операций. Одной из основных и самых трудоемких из них является операция разделения. В этом случае широкое применение находят методы физического (фильтрование, декантация), химического (соосаждение, перевод в другое валентное состояние) и физико-химического разделения (хроматография, экстракция, электрофорез, диализ и др.).

Развитие автоматизации массового анализа за последние годы идет путем создания «сложных» автоматических катализаторов на основе автоматизации отдельных операций инструментальных аналитических методик.

Целесообразность создания автоматизированных линий определяется в первую очередь массовостью проводимых анализов. Иногда анализ, выполненный с меньшей чувствительностью, но быстро, для производственников часто ценнее точного анализа, выполненного за более длительное время.

Автоматизация массовых анализов весьма желательна для обеспечения скорости и воспроизводимости результатов анализа. Кроме того, такая автоматизация, исключает субъективные ошибки лаборанта.

Перспектива комплексной автоматизации работ в хорошо оборудованной лаборатории представляется бесспорной, и путь к ней ведет через соответствующее использование и сочленение правильно подобранных элементов, что будет обоснованно как с точки зрения экономики, так и времени.

Основными направлениями автоматизации в аналитической лаборатории являются:

1. Соединение отдельных автоматизированных операций в автоматизированный комплекс в тех случаях, когда обрабатываемый объект перемещается от одного рабочего места к другому - это довольно трудоемкий и затратный процесс.

2. Отказ от прежних принципов анализа, усложняющих их механизацию и автоматизацию, и переход к новым, обеспечивающим автоматизацию.

В настоящее время широко используется автоматизация в части сведения ручных и механизированных работ к автоматическим устройствам, которые осуществляют некоторые операции над образцами, транспортируемыми между рабочими местами.

Каким бы сложным ни оказался массовый химический анализ, почти всегда его можно разбить на отдельные операции. В этом случае представляется два основных принципа построения комплексно-автоматизированных линий или сложных автоматических анализаторов.

Первый принцип (кассетный) заключается в разработке отдельных автоматизированных устройств, связанных между собой системами передвижения образцов, сгруппированных в кассеты.

Существуют два варианта его построения:

1) сохранение части ручных операций по транспортировке кассет с образцами и управлению работой устройства комплекса;

2) полная автоматизация системой передвижения образцов и всеми необходимыми автоматическими блокировками между отдельными устройствами комплекса.

Второй принцип (проточный) состоит в том, что химические реакции протекают в непрерывно движущихся по трубам потоках образцов от прибора к прибору, каждый из которых обеспечивает автоматическое выполнение необходимых операций (отбор образцов, дозирование реагентов, очистка,

фильтрование нагревания и т.д.). Кроме того, наряду с подготовительными и измерительными операциями существует группа важных вспомогательных операций, которые не включаются в методику. К таким операциям относятся подготовка химпосуды, приготовление реагентов, растворителей и т.д.

Следовательно, требуется использование разнообразных методов и средств механизации и автоматизации, т.е. от простейших устройств (так называемых «малой механизации») до сложнейших автоматических анализаторов. Следует отметить, что при этом часто значительный эффект достигается при использовании очень простых приспособлений, резко увеличивающих производительность труда оператора при выполнении подготовительных операций (например, отбор пробы, усреднение пробы, отбор навески, подготовка раствора, фильтрование, добавление реагентов, перемешивание, измельчение, нагревание и т.д.). Однако до сих пор в химических лабораториях используются примитивные ручные приспособления, эффективность которых незначительна. Полная автоматизация анализа индивидуальных проб для определения микропримесей едва ли экономически оправдана, поэтому требуется целесообразная, разумная сложность прибора с комплектом простейших устройств, не требующих высокой квалификации химика-аналитика и обеспечивающих удобство и достаточную чувствительность и производительность анализа.

Известно, что автоматизация, используемая для однородного потока проб, является эффективным средством оптимизации химического анализа и повышения производительности труда химика-аналитика. Речь идет не только об автоматизации технологических работ, но и автоматизации химического и физико-химического анализа и обработки данных анализа на ЭВМ. Как правило, как научный, так и экономический успех автоматического метода определяется оптимальным выбором методики химического анализа. Автоматизация химико-аналитических процессов - это доступное и эффективное средство повышения стабильности результатов и повышения производительности труда оператора на всех стадиях: отбор, транспортировка, преобразование и утилизация проб измерения параметров отбора и преобразования, обработка измерительной информации.

В то же время разработка и внедрение современных спектроскопических, радио-скопических, кинетических, электрохимических и других методов определения, а также методов разделения смесей, контроля состава веществ в потоке (без отбора проб) с использованием полученных сигналов в схемах управления технологическими процессами невозможны без применения автоматизированных технических средств, включая вычислительную технику. Многообразие задач аналитической химии проявляется и в автоматическом анализе, определяя своеобразие аналитической аппаратуры.

Развитие автоматизации отражает все возрастающую роль химического анализа при получении информации на уровнях микропримесей веществ и получении особо чистых реактивов. Все больше

химиков сталкивается с необходимостью частичной или полной автоматизации процессов, которые до сих пор выполняются вручную. Наиболее широко используются автоматические элементы, связанные с самим анализом на приборах и обработкой данных при помощи вычислительной техники и различных печатающих и регистрирующих устройств. Наиболее полно механизация и автоматизация проявляют себя при анализе потока однородных проб. Имеющиеся в настоящее время анализаторы предназначены для работы с партиями образцов сходного состава или образцов, вероятные изменения состава которых не влияют на методику измерения. Например, автоматический анализ жидких образцов, как правило, выполняют одним из двух методов: дискретным или непрерывным; в некоторых случаях путем их сочетания. Аналитические стадии разбавления, добавление реагента и перемешивание, выполняется раздельно, с помощью механического устройства образцы переносят к дозирующим устройствам, затем в измерительный блок (обычно перистальтическим насосом, автоматическими шприцами-дозаторами или клапанами). Однако, при необходимости, предварительная подготовка проб к анализу и перевод частично подготовленных проб из одной стадии обработки на следующую требуют вмешательство оператора, что сдерживает дальнейшее совершенствование методов анализа, особенно при обработке индивидуальных проб.

В последнее время широкое распространение в исследовательской практике получил один из эффективных методов автоматизации основных стадий аналитического процесса - проточно-инжекционный анализ, высокая производительность, многообразие получаемой информации и достоверность результатов которого обеспечивает ему широкое использование для аналитических целей в различных отраслях науки и техники. Специфика анализа обуславливает естественную автоматизацию традиционных рутинных операций, выполняемых оператором для исследовательских целей. Изначально получила распространение система дискретного анализа, в которой обрабатывались индивидуальные пробы сходного состава жидких образцов при помощи относительно сложных конструкций механической транспортной линии и механических устройств, т.е. осуществлялись операции дозирования, разбавления, перемешивания и регистрации аналитического сигнала. Более универсальные средства выполнялись в виде роботов и дистанционных манипуляторов. Сущность метода автоматического химического анализа растворов - непрерывный проточный анализ, в котором жидкий образец насосной системой непрерывным потоком, сегментированный воздушной средой, прокачивается через измерительной устройство и одновременно производится добавление и перемешивание компонентов, затем при достижении квазиравновесного состояния смеси, производится анализ. Дальнейшее свое развитие получил метод проточно-инжекционный анализ (ПИА) в организации несегментированного потока путем ввода микрообъемов образца в непрерывно движущийся поток жидкого носителя и образование, та-

ким образом, контролируемого градиента концентрации компонентов образца в потоке.

Рис. 1 - Экстрактор смесительно-отстойного типа для обработки твердых проб с малым объемом растворителя: 1 - станина, 2 - привод, 3 - ротор, 4 - крышка, 5 - мешалка, 6 - сетчатый барабан, 7 - штуцер, 8 - сборник экстракта, 9 - фиксатор, 10 - паз

Рис. 2 - Экстракторы для твердых проб: с полупроницаемой мембраной; с рециркуляцией фаз; с пористой перегородкой, псевдоожижением и рециклом экстрагента

Г

[Щ]

--Вз

!г

Рис. 3 - Схемы аппаратов: шнековый, центрифуга, центрифуга с виброперемешиванием, барабанного типа, центрифуга с вибромешалкой и емкостью для концентрата, устройства с рециркуляцией фаз

Метод ПИА базируется на анализе объема микроколичества жидких проб, требует четкой организации структуры потоков и специальных миниатюрных устройств и детекторов, которые в настоящее время у нас в стране промышленностью не изготавливаются. Проводя анализ проб в динамическом неравновесном состоянии, в автоматическом

режиме, данный метод может быть использован больше как инструмент для изучения кинетических процессов реакций, определения динамических характеристик физических процессов и сложных биологически активных материалов. В дальнейшем, при создании достаточной технической и научной базы, методы ПИА могут стать экономически целесообразными в использовании для массового анализа и для узкоспецифических целей при создании самых разнообразных анализаторов, которые могут быть включены отдельным блоком для регистрации аналитического сигнала, например, при анализе соединений солей тяжелых металлов или для автоматизации некоторых операций пробоподготовки.

Собственно, в любом случае необходимо проводить тщательный анализ технологии аналитических работ и выявление узких мест, без чего невозможно создание более совершенных и высокоэффективных устройств, механизирующих (автоматизирующих) ручной труд и обеспечивающих более удобную обработку проб. Таким образом, необходимость комплексной автоматизации и механизации работ в оптимально оборудованной лаборатории представляется целесообразной как с точки зрения экономии, так и времени анализа. Очень важно широко использовать при этом переход на новые принципы анализа, обеспечивающие максимальную возможность автоматизации и уменьшение количества подготовительных операций.

Таким образом, одной из главных задач по оптимизации химико-аналитических лабораторий является интенсификация или ускорение вспомогательных операций и подготовки проб к анализу, в том числе автоматизация (механизация) отбора, концентрирования проб и обработка данных анализа.

Одним из способов решения данных задач является использование аппаратов для пробоподго-товки, в том числе аппаратов центробежного типа (экстракторов, сепараторов, центрифуг и различного вида концентраторов). Некоторые из разработанных нами аппаратов представлены на рисунках 1-4.

Рис. 4 - Экстракторы с автоматическим разделением фаз, где 1.рИ. - легкая фаза, И.рИ. - тяжелая фаза

За счет параллельной обработки проб повышается производительность всего анализа в 3-5 раз [4], улучшается воспроизводимость результатов и исключение ручного труда. Кроме того, вследствие стабилизации параметров пробоподготовки появляется возможность расширения использования наиболее доступного метода - экстракции.

Литература

1. А.А. Гайнанова, А.Н. Горшунова, Н.С. Гришин, Вестник Казанского технологического университета, 17, 3, 224-227 (2014).

2. Ю.С. Ляликов, Физико-химические методы анализа. Химия, Москва, 1973. 536 с.

3. Ю.С. Ляликов, В.А. Хоменко, М.С. Панарский, Ю.И. Брацлавский, Автоматизация и механизация работ в химико-аналитических лабораториях. Издательство Штиинца, Кишинев, 1976. 135 с.

4. А.А. Гайнанова, А.Н. Горшунова, Н.С. Гришин, Вестник Казанского технологического университета, 16, 19, 262-265 (2013).

© А. А. Салин - канд. техн. наук, асс. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, c888aa@mail.ru; А. Н. Горшунова - асп. той же кафедры Н. С. Гришин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, mahp_kstu@mail.ru.

© A. A. Salin, Candidate of Technical Sciences, Assistant, Department of Mechanical Engineering for Chemical Industry, KNRTU, c888aa@mail.ru; A. N. Gorshunova, postgraduate student of the same department; N. S. Grishin, Doctor of Engineering, Professor of the same department, mahp_kstu@mail.ru.