УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ОБРАЗЦАХ

Изобретение относится к области приборостроения в аналитической химии и может быть использовано для оперативного определения и контроля количества содержащихся в жидких и твердых образцах органических примесей путем определения химического потребления кислорода, используемого для сжигания органических веществ в пробе.
Известно устройство для определения количества органических примесей в водной среде, основанное на принципе окисления и перемешивания анализируемой пробы в потоке озоно-воздушной смеси, циркулирующем в замкнутом трубчатом контуре, который содержит рабочий U-образный холостой участок [патент РФ №2073238, G01N 33/18, опубл. 1997.02.10]. На рабочем участке контура формируют восходящий поток анализируемой пробы, для чего в озоно-воздушную смесь подают в нижнюю его точку. Отвод исходящей струи газов осуществляют через открытый канал, располагаемый в верхней точке рабочего участка. Контроль достижения заданного порога избытка озона в пробе после окисления органики ведут датчиком в виде пары платиновых электродов, подключенных к источнику постоянного тока, электронной схеме усиления и регистрации сигнала. Датчик располагают в циркулирующем потоке пробы на холостом участке контура. Рабочий участок выполнен спиральным, открытый патрубок - сечением, превышающем сечение рабочего участка. Заполнение замкнутого контура пробы ведут через воронку и подающий патрубок, соединенный с холостым участком, при этом данный патрубок и подающий патрубок для озоно-воздушной смеси соединяют к разным ветвям U-образного холостого участка замкнутого контура.
Известное устройство позволяет анализировать только жидкие пробы, требует использования озоно-воздушной смеси, кроме того точность определения органического вещества невелика.
Известно устройство для определения концентрации органических веществ в жидкой пробе, предназначенное для контроля содержания органических загрязнений в объектах окружающей среды, природных и сточных водах, содержащее последовательно расположенные зону сжигания камеры ввода и сжигания, измерительную ячейку с кислородной проводимостью, средство дозирования кислорода в газовый поток, средство подачи инертного газа, при этом камера ввода снабжена зоной предварительного нагрева, подключенной к средству подачи инертного газа в нее и расположенной перед зоной сжигания жидкой пробы, которая подключена к средству дозирования кислорода в газовый поток [пат РФ №2166753, G01N 27/417, опубл. 2000.02.27].
В устройстве в камеру ввода и сжигания жидкой пробы в зону предварительного нагрева подается инертный газ, а в зону сжигания жидкой пробы подведена смесь инертного газа с кислородом. Предварительный разогрев жидкой пробы осуществляется в среде инертного газа, а сжигание жидкой пробы - в смеси кислород-инертный газ. Содержание органических веществ определяется по количеству затрачиваемого на сжигание жидкой пробы кислорода
Недостатком известного устройства является его сложность за счет необходимости использования инертных и других газов. Более того, известное устройство предназначено только для анализа жидких проб.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для определения органических веществ в грунтах и донных отложениях путем определения химического потребления кислорода, используемого для сжигания органических веществ в пробе [Патент РФ на полезную модель №59836, G01N 33/24, опубл. 2006.12.27.].
Устройство содержит последовательно расположенные определитель массы, пробоввод, печь, датчик кислорода и побудитель расхода с ротаметром. Пробоввод и печь расположены вертикально, причем пробоввод помещен в печь сверху и выполнен в виде пробирки, к дну которой на расстоянии от дна подведена также вертикально трубка с открытым концом, вторым концом подсоединенная к входу датчика кислорода. При этом печь оснащена задатчиком (программатором) температуры. Пробоввод выполнен из кварца, или другого не горючего материала, в газовый тракт между пробовводом и побудителем расхода установлены ловушка паров воды и(или) вентиль, к программатору температуры подведены датчики температуры, установленные у открытого конца трубки и(или) под дном пробирки, у дна установлен встряхиватель, все измерительные узлы связаны с компьютером.
Недостатком данного устройства является низкая производительность при выполнении анализа вещества. Это обусловлено тем, что при выполнении очередного анализа начальная температура печи должна соответствовать комнатной температуре. Поэтому требуется значительное время для охлаждения печи после нагрева до комнатной температуры. Кроме того, циклический режим работы печи нагрев-охлаждение может отрицательно сказаться на продолжительности работы данного устройства.
Задачей создания данного устройства является устранение выше перечисленных недостатков и повышение производительности анализа.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения содержания органических веществ в жидких и твердых образцах, содержащем печь, с термодатчиком, коаксиально установленную в ней камеру сгорания пробы, соединенную трубопроводом с последовательно установленными датчиком кислорода, ловушкой паров воды, ротаметром, побудителем расхода, регулятором газового потока, и электронный блок управления и сбора данных с компьютером, печь и камера сгорания расположены горизонтально, камера сгорания выполнена в виде цилиндра, герметично укрепленного с одного торца в металлическом держателе, и снабжена укрепленной коаксиально пробиркой, с нанесенным снаружи каталитическим слоем, и установленным на держателе пробовводом с дополнительным термодатчиком, причем открытый конец цилиндра расположен со стороны пробоввода, последний снабжен механизмом возвратно-поступательного перемещения, при этом термодатчики, механизм возвратно-поступательного перемещения, датчик кислорода и побудитель расхода электрически связаны с электронным блоком управления и сбора данных.
Устройство может быть снабжено ресивером, установленным перед побудителем расхода газа, а регулятор газового потока расположен между ротаметром и ресивером.
Целесообразно пробоввод выполнять в виде ложечки-кюветы со встроенном дополнительным термодатчиком, укрепленной на длинном держателе.
Предпочтительно термодатчик печи размещать внутри пробирки, а дополнительный термодатчик - на ложечке-кювете пробоввода.
Обычно камера сгорания, пробирка и ложечка-кювета выполнены из неокисляемого при нагреве материала, например, кварца.
На фиг.1 представлена общая схема заявляемого устройства.
На фиг.2 - график изменение содержание кислорода в газовоздушной смеси в процессе окисления органического вещества в пробе почвогрунта.
На фиг.3 - график изменения температуры лодочки в процессе нагрева образца.
На фиг.4 - калибровочный график содержания органического вещества в образце в единицах ХПК.
Устройство включает печь 1, снабженную термодатчиком 2, коаксиально установленную в ней камеру сгорания пробы 3, соединенную трубопроводом 4 с последовательно установленными датчиком кислорода 5, ловушкой паров воды 6, ротаметром 7, побудителем расхода 8, регулятором газового потока 9 и электронный блок управления и сбора данных 10 с компьютером 11.
Печь 1 и камера сгорания 3 расположены горизонтально.
Камера сгорания 3 выполнена в виде цилиндра, герметично укрепленного с одного торца в металлическом держателе 12, и снабжена укрепленной коаксиально пробиркой 13, с нанесенным снаружи каталитическим слоем 14.
Устройство содержит установленный на держателе 15 пробоввод 16 с дополнительным термодатчиком 17. Пробоввод 16 выполнен в виде ложечки-кюветы, укрепленной на держателе 15.
Открытый конец цилиндра камеры 3 расположен со стороны пробоввода 16, последний снабжен механизмом возвратно-поступательного перемещения 18. Механизм возвратно-поступательного перемещения 18 выполнен в виде шагового двигателя, системы шестерен и размещенной в корпусе червячной передачи, на каретке которой закреплен держатель, на конце которого установлена ложечка-кювета (на фиг.1 схема его не показана).
Термодатчики 2 и 17, механизм возвратно-поступательного перемещения 18, датчик кислорода 5 и побудитель расхода 8 электрически связаны с электронным блоком управления и сбора данных 10.
Кроме того, устройство снабжено ресивером 19, установленным перед побудителем расхода газа 8, а регулятор газового потока 9 расположен между ротаметром 7 и ресивером 19.
Камера сгорания 3, пробирка 13 и ложечка-кювета выполнены из неокисляемого при нагреве материала, например, кварца.
Устройство работает следующим образом.
Пробу (грунта, донного отложения, водного раствора) помещают на дно ложечки-кюветы пробоввода 16 и вводят в камеру 3. Ее введение в камеру 3 сгорания автоматизировано. Ложечку-кювету пробоввода 16 вводят ступенчато, сначала в низкотемпературную зону камеры 3, а потом в высокотемпературную при помощи механизма возвратно-поступательного перемещения 18. Параметры ввода пробы (скорость, ступенчатость и т.д.) задаются с помощью электронного блока управления и сбора данных 10 с компьютером 11.
Поток воздуха задают регулятором газового потока 9, измеряемым ротаметром 7. Он поступает в камеру 3 через открытый конец цилиндра камеры 3 со стороны пробоввода 16. Постоянный расход воздуха в устройстве обеспечивается ресивером 19.
Органические вещества окисляются кислородом воздуха, а датчик кислорода 5 фиксирует количества кислорода, затрачиваемого на сжигание пробы. Датчик кислорода может быть выполнен, например, в виде ячейки, обладающей кислородионной проводимостью.
Аналитический сигнал, представляющий собой изменение во времени ионного тока кислорода (в случае использования датчика в виде ячейки) с момента ввода пробы в камеру 3 сгорания, фиксируется с помощью электронного блока управления и сбора данных 10, сопряженного с компьютером 11, который осуществляет математическую обработку сигнала.
Калибровка устройства позволяет определить количество сгоревших органических веществ в анализируемой пробе в пересчете на органический углерод или по химическому потреблению кислорода (ХПК) по которому судят о наличии органических веществ в пробе. Возможно предварительное определение органического вещества в образцах стандартным гостированным методом (например, методом сухого озоления, ГОСТ 27784) и далее использование этих данных для калибровки установки.
Пример.
Определение органического вещества в почвогрунтах.
Навеска образца почвогрунта помещается в лодочку-кювету пробоввода 16 и с помощью механизма возвратно-поступательного перемещения 18 отправляется в открытый конец цилиндра камеры 3 (в предварительно нагретую печь 1). Через открытый конец цилиндра камеры 3 расположен со стороны пробоввода 16 (открытый конец печи) в камеру 3 непрерывно засасывается воздух и регистрируется содержание кислорода в потоке воздуха. По мере поступления пробы почвогрунта происходит окисление органического вещества в образце. На это окисление расходуется кислород из потока воздуха. При этом концентрация кислорода в потоке падает, что фиксируется датчиком кислорода 5. Одновременно регистрируется температура лодочки прововвода 16. На фиг.2. представлено изменение содержание кислорода в газовоздушной смеси в процессе окисления органического вещества в пробе почвогрунта. На фиг.3 - график изменение температуры лодочки в процессе нагрева образца.
Площадь отрицательного пика G (заштрихованная фигура) характеризует общее количество органического вещества в образце.
Прокалибровав установку в единицах ХПК или углерода можно получить содержание органического вещества в образце.
Калибровка устройства можно проводить, например, хорошо окисляемым веществом - глюкозой:
6
12
6
2
2
2
СНО+6О-6СО+6НО.
Для этого были приготовлены хорошо перетертые смеси глюкозы и песка. При этом чистый песок не давал никакого сигнала на приборе. Полученный график представлен на фиг.4.
орг
В качестве примера в таблице представлены данные определения содержания С в образцах почвогрунтов с использованием двух устройств, отражающих два независимых метода - с помощью предлагаемого устройства и методом сухого озоления.
Таблица
Название почвогрунта
предлагаемый
Метод сухого озоления, ГОСТ 27784
Гумус, %
относительная погрешность, %
Гумус, %
относительное отклонение метода, %
Специализированный грунт для кактусов. "Сад чудес"
36
2
27±1
8,4
Специализированный грунт для роз. "Сад чудес"
48
4
46±3
8,4
Биогрунт для фиалок. "Сад огород"
41
1
35±1
8,4
Почвогрунт для традесканции. "Радуга"
57
1
50±1
8,4
Небольшое отклонение в результатах полученных с использованием настоящего устройства и устройством, используемым для метода сухого озоления, вероятно, вызвано неодинаковой температурой, использованной при окислении. Сухое озоление проводилось при температуре около 525°С, когда в предлагаемом устройстве используется температура приблизительно 700°С, поэтому в первом случае окисление проходило не полностью.
Предлагаемый устройство имеет ряд преимуществ. Среди них можно перечислить следующее:
- экспрессность анализа
- использование самого дешевого реагента - кислорода из воздуха
- доокисление летучих органических веществ
- возможность проведения анализа в полевых условиях
- возможность исследования кинетики окисления
- экологическую безопасность (не требуется утилизация используемых химических реактив после выполнения анализа)
- полная автоматизация проведения анализа
- возможность работы низко квалифицированного персонала
- соответствие другим аттестованным методом