УСТРОЙСТВО ПРОБООТБОРА И ПРОБОПОДГОТОВКИ ВОДНЫХ СРЕД ДЛЯ ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ В НИХ РАСТВОРЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к аналитической химии и может быть применена для проведения аналитического контроля качества водных сред (питьевых, природных и сточных вод) по показателю содержания в них нефтепродуктов.
В аналитической практике под нефтепродуктами понимают неполярные и малополярные углеводороды (алифатические, ароматические и алициклические), составляющие основную и наиболее характерную часть нефти и продуктов ее переработки. Загрязнение нефтепродуктами является наиболее типичным и весьма опасным фактором воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду. Содержание нефтепродуктов является одним из обобщенных и строго нормируемых показателей, характеризующих качество вод.
Основными методами количественного химического анализа, применяемыми в настоящее время при определении нефтепродуктов в водах, являются ИК-спектроскопический [1-3] и флуориметрический [4], которые включают раздельные стадии пробоотбора, пробоподготовки и детектирования нефтепродуктов тем или иным методом.
При определении нефтепродуктов по известным методикам на первой стадии проводится отбор проб воды (пробоотбор) через определенные интервалы времени в различных местах на регламентируемой глубине с помощью специальных устройств обзор которых изложен в [1].
На следующей стадии осуществляют пробоподготовку [2-4], которая предполагает экстракционное выделение и концентрированно нефтепродуктов из проб воды в органические растворители: четыреххлористый углерод или перхлорэтилен при ИК-детектировании или в н-гексан при флуориметрическом детектировании. Экстракционное выделение осуществляется в делительной воронке при интенсивном встряхивании водной и органической фаз. На заключительной стадии осуществляют детектирование нефтепродуктов в экстракте соответствующим методом.
Известно устройство, которое наиболее часто используется в пробоотборе -батометр [5, с.51]. Батометр состоит из цилиндрического сосуда вместимостью 1-3 л., ко дну которого прикреплен металлический стержень. К концу стержня привязывают шнур, на котором пробоотборник опускают в водную среду на заданную глубину. Затем специальным шнуром поднимают крышку и в пробоотборник вливается вода, вытесняя воздух. Наполнив сосуд, шнур отпускают, и крышка плотно закрывает пробоотборник. После этого пробу переливают в приемную склянку и в ней пробу доставляют в лабораторию. При определении нефтепродуктов флуориметрическим методом в лабораторию необходимо доставить до 0,2 л пробы воды [3], а в случае ИК-спектрометрического метода - до 4 л [4].
Недостатком батометра является то, что для осуществления анализа, включающего вышеописанные стадии пробоотбора и пробоподготовки [2-4] требуются большие затраты труда и времени, что делает его малоэффективным при проведении массовых анализов с целью контроля качества водных сред по показателю содержания в них нефтепродуктов. Кроме того, возникает необходимость доставки больших объемов проб воды в лаборатории (до 4 л), а многократный перенос пробы воды из емкости в емкость во время пробоотбора и пробоподготовки приводит к недостоверности получаемых результатов из-за неконтролируемых потерь нефтепродуктов за счет их сорбции на стенках используемых устройств пробоотбора (батометра, склянки для пробы) и пробоподготовки (экстракционной воронки).
Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение трудозатрат и расходов токсичных растворителей при определении нефтепродуктов в водных средах и повышение достоверности и экспрессности определения нефтепродуктов за счет объединения стадий пробоотбора и пробоподготовки, что дает возможность применять данное устройство в массовом анализе.
Технический результат достигается тем, что в устройстве пробоотбора и пробоподготовки водных сред для экспрессного определения в них растворенных нефтепродуктов, содержащем колонку и побудитель расхода воды, колонка снабжена двумя входным и выходным отверстиями, расположенными в противоположных концах колонки, а побудитель выполнен в виде емкости с входным и выходным отверстиями, причем входное отверстие побудителя и выходное отверстие колонки соединены между собой гибким шлангом.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что колонка выполнена в виде экстракционно-хроматографического устройства, заполненного сорбентом.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что в качестве сорбента использован пористый политетрафторэтилен.
Схема работы предлагаемого устройство пробоотбора и пробоподготовки показана на Фиг.1. Через колонку с пористым политетрафторэтиленом (1) предварительно с помощью полиэтиленового шприца последовательно пропускают 2 мл соответствующего органического растворителя, например, четыреххлористого углерода, перхлорэтилена или н-гексана, и 10 мл дистиллированной воды. При этом происходит адсорбция на политетрафторэтилен органической фазы. Затем подготавливают побудитель расхода пробы (3), который представляет собой сосуд с входом и выходом. Выход побудителя расхода пробы (3) соединяют с краном (4) и заполняют побудитель расхода пробы (3) водой. После этого вход побудителя расхода пробы (3) соединяют с колонкой (1) через гибкий шланг (2). Колонку (1) опускают в водную среду на заданную глубину и открывают кран (4), при этом происходит сброс воды из побудителя расхода пробы (3) и одновременное его заполнение водой, которая поступает через колонку (1) по шлангу (2). При этом колонка фактически является экстракционно-хроматографической, за счет чего происходит выделение нефтепродуктов из пробы воды в органическую фазу, удерживаемую в этой колонке. После чего колонку (1) отсоединяют от пробоотборного устройства. Для элюирования концентрата нефтепродуктов из колонки и ее регенерации используется аликвота чистого растворителя, применяемого в качестве неподвижной фазы. На заключительном этапе проводится определение нефтепродуктов в элюате соответствующим методом.
Разработанное устройство позволяет сократить трудозатраты. Так для проведения анализа в 10 точках методом ИК-спектроскопии в лабораторию нужно доставить 4×10=40 л воды. При использовании предлагаемого устройства пробоотбора и пробоподготовки для проведения определения нефтепродуктов в водном растворе в лабораторию необходимо доставить 20 колонок (для проведения двух параллельных определений в каждой из 10 точек), масса которых составит 20×10=200 г.
Таким образом, заявленное устройство позволяет сократить объемы токсичных растворителей: в случае ИК-метода - в 5 раз, а в случае флуориметрического метода в 2 раза, а также устранить неконтролируемые потери нефтепродуктов за счет исключения стадии многократного переноса пробы воды из емкости в емкость во время пробоотбора и пробоподготовки путем их объединения.
Проверка работоспособности предлагаемого устройства иллюстрируется на примерах определения нефтепродуктов в водных средах с флуориметрическим и ИК-детектированием.
Пример 1.
Выбор оптимальной скорости пропускания анализируемой жидкости через экстракционно-хроматографическую колонку.
Через колонку (1) (Фиг.1) объемом 2 мл предварительно с помощью полиэтиленового шприца последовательно пропускали 2 мл четыреххлористого углерода и 10 мл дистиллированной воды. Колонку (1) подключали через шланг (2) к побудителю расхода (3). Колонку (1) опускали в аттестованный раствор, который предварительно готовили путем растворения в дистиллированной воде аликвоты ГСО содержания нефтепродуктов в водорастворимой матрице (ГСО 8651-2005), при этом меняли скорость пропускания пробы через колонку от 50 до 350 мл/мин. После чего колонку (1) отсоединяли и промывали с помощью полиэтиленового шприца 2 мл четыреххлористого углерода. Полученный элюат помещали в кювету ИК-анализатора и измеряли концентрацию нефтепродуктов в элюате.
Как видно из полученных результатов (табл.1), вплоть до скорости пропускания пробы 250 мл/мин, не наблюдается «проскока» нефтепродуктов, а, начиная со скорости 300 мл/мин, наблюдается неполное выделение нефтепродуктов на колонке. В качестве оптимальной скорости фильтрации была выбрана 250 мл/мин.
Таблица 1.Влияние скорости пропускания пробы воды на эффективность выделения нефтепродуктов на экстракционно-хроматографической колонке
Скорость фильтрации, мл/мин
Введено, мг
Найдено, мг
50
1,00
1,02
100
1,03
150
1,03
200
1,05
250
1,03
300
0,51
350
0,42
Пример 2.
Определение содержания нефтепродуктов в сточной воде с ИК- детектированием.
Через колонку (1) (Фиг.1) объемом 2 мл предварительно с помощью полиэтиленового шприца последовательно пропускали 2 мл четыреххлористого углерода и 10 мл дистиллированной воды. Колонку (1) подключали через шланг (2) к побудителю расхода (3). Колонку (1) опускали в сточную воду на глубину 0,5 м и с помощью устройства (3) прокачивали 2 л воды со скоростью 250 мл/мин. После чего колонку (1) отсоединяли и промывали с помощью полиэтиленового шприца 2 мл четыреххлористого углерода. Полученный элюат помещали в кювету ИК-анализатора и измеряли концентрацию нефтепродуктов в элюате. Проводили три параллельных измерения содержания нефтепродуктов в сточной воде. На основании полученных результатов рассчитывали концентрацию нефтепродуктов в пробе воды (табл.2).
Параллельно проводили определение нефтепродуктов в сточной воде с ИК-детектированием с использованием известной схемы осуществления пробоотбора и пробоподготовки [3].
Сравнение результатов определения нефтепродуктов в сточной воде, полученных с использованием разработанного устройства и по [3] (табл.2), позволяет сделать вывод, что разработанное устройство проботбора и пробоподготовки дает возможность при меньших трудозатратах и расходах токсичных результатов добиться требуемой точности определения нефтепродуктов в водных средах.
Таблица 2.Результаты определения нефтепродуктов в водных средах (доверительная вероятность - 0,95, количество измерений - 3).
Метод детектирования
Объект анализа
X<sub>1</sub>, мг/л
Х<sub>2</sub>, мг/л
Х<sub>a</sub>, мг/л
ИК
Сточная вода
0,83±0,05
0,79±0,05
-
Аттестованный раствор
0,51±0,04
0,50±0,02
флуориметрический
Природная вода
0,06±0,03
0,07±0,03
X<sub>1</sub> - среднее арифметическое значение массовой концентрации нефтепродуктов в пробе, найденное с использованием разработанного устройства пробоотбора и пробоподготовкиХ<sub>2</sub> - среднее арифметическое значение массовой концентрации нефтепродуктов в пробе, найденное с использованием известной схемы пробоотбора и пробоподготовкиХ<sub>а</sub> - аттестованное значение массовой концентрации нефтепродуктов в аттестованном растворе
Пример. 3.
Определение содержания нефтепродуктов в аттестованном растворе с ИК-детектированием
Через колонку (1) (Фиг.1) объемом 2 мл предварительно с помощью полиэтиленового шприца последовательно пропускали 2 мл перхлорэтилена и 10 мл дистиллированной воды. Колонку (1) подключали через шланг (2) к побудителю расхода (3). Через колонку (1) прокачивали с помощью устройства (3) 1 л аттестованного раствора со скоростью 250 мл/мин, который предварительно готовили путем растворения в дистиллированной воде аликвоты ГСО содержания нефтепродуктов в водорастворимой матрице (ГСО 8651-2005). После чего колонку (1) отсоединяли и промывали с помощью полиэтиленового шприца 2 мл перхлорэтилена. Полученный элюат помещали в кювету ИК-анализатора и измеряли концентрацию нефтепродуктов в элюате. Проводили три параллельных измерения содержания нефтепродуктов в аттестованном растворе. На основании полученных результатов рассчитывали концентрацию нефтепродуктов в аттестованном растворе (табл.2).
Анализ полученных результатов определения нефтепродуктов в аттестованном растворе с аттестованным значением, полученных с использованием разработанного устройства и по [3] (табл.2), позволяет сделать вывод, что разработанное устройство проботбора и пробоподготовки дает возможность при меньших трудозатратах и расходах токсичных результатов добиться требуемой точности определения нефтепродуктов в водных средах.
Пример 4.
Определение содержания нефтепродуктов в природной воде с флуориметрическим детектированием
Через колонку (1) (Фиг.1) объемом 2 мл предварительно с помощью полиэтиленового шприца последовательно пропускали 2 мл н-гексана и 10 мл дистиллированной воды. Колонку (1) подключали через шланг (2) к побудителю расхода (3). Колонку (1) опускали в природную воду на глубину 0,5 м и с помощью устройства (3) прокачивали 100 мл воды со скоростью 250 мл/мин. После чего колонку (1) отсоединяли и доставляли в лабораторию. Колонку промывали с помощью полиэтиленового шприца 2 мл н-гексана. Полученный элюат помещали в кювету флуориметра и измеряли концентрацию нефтепродуктов в элюате. На основании полученных результатов рассчитывали концентрацию нефтепродуктов в пробе воды (табл.2).
Параллельно проводили определение нефтепродуктов в природной воде с флуориметрическим детектированием с использованием известной схемы осуществления пробоотбора и пробоподготовки [4].
Сравнение результатов определения нефтепродуктов в природной воде, полученных с использованием разработанного устройства и по [4] (табл.2), позволяет сделать вывод, что разработанное устройство проботбора и пробоподготовки дает возможность при меньших трудозатратах и расходах токсичных результатов добиться требуемой точности определения нефтепродуктов в водных средах.
Технико-экономическая эффективность предлагаемой полезной модели состоит в комплексном достижении качественных параметров: экспрессного анализа с одновременным снижением трудозатрат при его эксплуатации; значительном снижении расходов токсичных растворителей, используемых при определении нефтепродуктов в водных средах; в устранении неконтролируемых потерь нефтепродуктов при пробоотборе и пробоподготовке, что позволяет эффективно использовать устройство для массового аналитического контроля водных сред. Важным преимуществам заявляемого устройства является также простота его изготовления.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. ГОСТ 17.1.4.01-80. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к методам определения нефтепродуктов в природных и сточных водах.
2. ПНД Ф 14.1:2.5-95. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом инфракрасной спектроскопии.
3. ФР. 1.31.2007. 03234. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в питьевых, природных и сточных водах ИК-спектрометрическим методом с использованием концентратомера нефтепродуктов ИКН-025.
4. ПНД Ф 14.1:2:4.128-98. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природной, питьевой и сточной воды флуориметрическим методом на анализаторе жидкости "Флюорат-02".
5. Ю.А.Карпов, А.П.Савостин «Методы пробоотбора и пробоподготовки». М.: Бином, 2003. 243 с.