РТУТНЫЙ МОНИТОР
MERCURY MONITOR

Заявляемое изобретение относится к аналитическим системам автоматического измерения концентрации ртути и может быть использовано для мониторинга промышленной и сточной воды и дымовых газов.
Известен ртутный анализатор PA-2 Mercury Process Analyzer фирмы Mercury Instruments, Германия [1], предназначенный для непрерывного измерения концентрации ртути в промышленных сточных водах предприятий по сжиганию отходов, теплоэлектростанций, очистных сооружений и т.д. Ртутный монитор содержит модуль пробоподготовки, в котором происходит предварительное окисление пробы соответствующим реагентом, модуль восстановления, где ртуть восстанавливается до атомного состояния при введении восстановителя, газообменный блок, в котором элементная ртуть выделяется из жидкой пробы и попадает в газ-носитель, и аналитическую кювету, куда газ-носитель доставляет элементную ртуть и где определяется количество выделившейся ртути атомно-абсорбционным способом анализа.
К недостаткам аналога следует отнести необходимость проведения предварительной работы по выбору способа окисления пробы (в зависимости от матрицы пробы и форм нахождения ртути в пробе), высокие требования к чистоте реактивов, используемых как при пробоподготовке, так и при восстановлении ртути до атомного состояния, а также малую продолжительность работы монитора без обслуживания оператора, что обусловлено выпадением восстановителя и солей жесткости из раствора восстановления и из пробы соответственно. Кроме того, необходимо часто пополнять расходуемые реактивы.
Известно устройство для мониторинга ртутных выбросов [2], содержащее узел ввода пробы анализируемого газа, термический атомизатор, где все ртутные соединения диссоциируют с образованием элементной ртути, аналитическую кювету с возможностью подогрева, что значительно снижает скорость окисления элементной ртути продуктами диссоциации и матричными компонентами, атомно-абсорбционный спектрометр, который позволяет измерять элементную ртуть и значительно снижать матричное влияние.
К недостаткам аналога следует отнести непродолжительную работу устройства без обслуживания оператором, обусловленную загрязнением окон аналитической кюветы, невозможность применения устройства для мониторинга промышленных вод из-за осаждения содержащихся в них растворенных солей в больших концентрациях на стенках узла ввода пробы и термического атомизатора вплоть до забивания газовых каналов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ртутный монитор дымовых газов MERCEM300Z Mercury Analyzer, фирма Sick, Германия [3], состоящий из пробоотборного зонда, газовой линии, узла ввода пробы, термического атомизатора, аналитической кюветы с возможностью подогрева, атомно-абсорбционного спектрометра и откачивающего побудителя расхода. Дымовой газ забирается пробоотборным зондом и транспортируется во входную часть монитора. Далее газ проходит термический атомизатор, где вся ртуть независимо от формы ее нахождения в дымовом газе переводится в элементную форму и попадает в аналитическую кювету, в которой определяется концентрация ртути с помощью атомно-абсорбционного спектрометра. К выходу аналитической кюветы присоединен откачивающий побудитель расхода газа, выполненный в виде эжектора. Температура термического атомизатора и аналитической кюветы составляет 1000°С.
2
2
К недостаткам прототипа следует отнести непродолжительную работу монитора без обслуживания оператором, обусловленную загрязнением окон аналитической кюветы. Дымовой газ имеет довольно сложный состав - различные газы (CO, SO, NO, NOx, пары воды, HCl, HF и т.д.), выделяющиеся и образующиеся при сжигании минерального топлива, а также дымовые частицы. При взаимодействии агрессивных газов с дымовыми частицами и с элементами пробоотборной системы образуются летучие соединения, которые оседают на окнах аналитической кюветы, поскольку температура газа составляет порядка 1000°С, а температура окон с внешней стороны намного ниже. Загрязнение окон приводит к значительному снижению интенсивности зондирующего излучения атомно-абсорбционного спектрометра и, как результат, к ухудшению аналитических характеристик вплоть до невозможности проводить измерения. По этим же причинам невозможно использовать прототип для определения содержания ртути в промышленных водах различных предприятий - вода содержит высокие процентные концентрации хлоридов и сульфатов металлов (соли жесткости) и при испарении и атомизации образуются пары этих солей, которые будут оседать на окнах аналитической кюветы.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение потребительских характеристик монитора, увеличение времени работы монитора без обслуживания оператором и обеспечение длительного функционирования монитора.
Поставленная задача решается тем, что в ртутном мониторе, включающем узел ввода пробы, термический атомизатор, аналитическую кювету с возможностью подогрева, узел газового коллектора и откачивающий побудитель расхода, причем аналитическая кювета содержит два прозрачных для резонансного излучения ртути окна, по меньшей мере, через одно из которых она оптически связана с атомно-абсорбционным спектрометром, по меньшей мере, один входной газовый порт, расположенный в центральной ее части, и, по меньшей мере, два выходных газовых порта, каждый из которых расположен между входным газовым портом и соответствующим окном, при этом с узлом ввода пробы связан нагнетающий побудитель расхода с возможностью введения анализируемой пробы в термический атомизатор, а в корпусе аналитической кюветы с двух сторон между окном и ближайшим к нему выходным газовым портом выполнены отверстия с возможностью подачи через них газа.
Сущность изобретения заключается в том, что между окном аналитической кюветы и анализируемым газом создается защитный воздушный поток, препятствующий непосредственному контакту горячего анализируемого газа, поступающего в аналитическую кювету, и холодной поверхности окна. Благодаря этому пары легколетучих соединений, находящихся в анализируемом газе, не конденсируются на окнах аналитической кюветы, и коэффициент пропускания окон для зондирующего излучения атомно-абсорбционного анализатора остается в рабочем диапазоне продолжительное время.
Ртутный монитор также содержит небулайзер с его держателем, между внутренней стенкой которого и самим небулайзером создана полость, сообщающаяся с внутренней полостью термического атомизатора, а сам держатель небулайзера содержит порт, соединяющий созданную полость со средствами подачи газа-носителя. Причем небулайзер содержит распылительное сопло, жидкостный входной порт и газовый входной порт, который связан газожидкостной коммуникацией со средствами подачи газа-носителя. При этом средства подачи газа-носителя содержат смеситель с тремя портами, первый порт которого соединен с источником газа-носителя, второй порт соединен со средствами подачи воды, а третий порт смесителя соединен со вторым портом небулайзера.
Кроме того, узел газового коллектора связан с выходными портами аналитической кюветы газожидкостной коммуникацией и включает сепаратор газ-жидкость и емкость для сбора жидкости.
Наконец, через первое окно аналитическая кювета оптически связана со спектрометром, а через второе окно - с ретрорефлектором, установленным так, чтобы зондирующее излучение спектрометра, прошедшее через первое окно во второе, возвращать через второе окно обратно в спектрометр через первое окно.
Применение в заявляемом ртутном мониторе небулайзера позволяет исключить механические средства подачи водной пробы в атомизатор, что позволяет повысить надежность подающего устройства, а также позволяет вводить пробу в виде аэрозоля, что снижает количество солей, оседающих на стенке атомизатора. Подача воды в канал сжатого воздуха небулайзера позволяет снизить количество солей, оседающих непосредственно в его сопле. Установка сепаратора газ-жидкость после аналитической кюветы позволяет удалить пары воды из выходного газового потока и тем самым исключить конденсацию воды в откачивающий побудитель расхода и обеспечить ему штатный режим работы. Применение оптической схемы, при которой излучение проходит через аналитическую кювету, попадает на ретрорефлектор, возвращается обратно в аналитическую кювету и затем направляется на фотодетектор, позволяет увеличить чувствительность анализа вдвое при тех же линейных размерах аналитической кюветы. Кроме того, такая схема обеспечивает компактность конструкции спектрометра, что повышает стабильность работы всего спектрометра.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами.
Фиг.1. Блок-схема ртутного монитора.
Фиг.2. Блок-схема входного узла с небулайзером и средствами подачи газа.
Фиг.3. Блок-схема узла газового коллектора.
Фиг.4. Схема защиты окон аналитической кюветы.
Фиг.5. График зависимости чувствительности от скорости прокачки откачивающей помпы.
Фиг.6. Фотография модели распыления водного аэрозоля в термическом атомизаторе.
Фиг.7. Фотография окон аналитической кюветы с защитным воздушным потоком через 14 дней эксплуатации (А) и без него через 8 часов работы (В).
Ртутный монитор, блок-схема которого представлена на Фиг.1, содержит узел нагнетающего побудителя расхода 1, узел ввода пробы 2, термический атомизатор 3, аналитическую кювету 4 с окнами 5 и с входным 6 и выходными 7 газовыми портами, узел газового коллектора 8, откачивающий побудитель расхода 9 (далее по тексту откачивающая помпа), а также атомно-абсорбционный спектрометр 10. Между окнами и выходными портами в корпусе аналитической кюветы сделаны отверстия 11.
Узел нагнетающего побудителя расхода 1 может быть выполнен в следующем виде (Фиг.2). В держатель небулайзера 12 установлен небулайзер 13 таким образом, что его сопло направлено во внутреннюю часть термического атомизатора 3, а вся сборка установлена в узел ввода пробы 2. Жидкостный порт небулайзера 14 соединен с переключающим жидкостным краном (на фигуре не показан), который поочередно соединяет указанный порт небулайзера с резервуарами с дистиллированной водой, стандартным раствором и анализируемой пробой. Газовый порт небулайзера 15 соединен с первым портом 16 смесителя 17, второй порт которого 18 соединен со средствами подачи воды 19, а его третий порт 20 соединен со средствами подачи газа-носителя 21. Газ-носитель подается также в полость между небулайзером и его держателем через порт держателя 22.
При определении содержания ртути в дымовых газах узел нагнетающего побудителя расхода 1 может быть выполнен в виде диафрагменной помпы, подающей анализируемый газ из пробоотборной линии (на фигуре не показана) непосредственно в термический атомизатор 3.
Термический атомизатор 3 может быть выполнен в виде кварцевой трубки, один конец которой герметично прикреплен к узлу ввода пробы 2, а второй конец герметично прикреплен к входному порту 6 аналитической кюветы 4. Причем кварцевая трубка установлена соосно с небулайзером 13 и его держателем 12, а ее внутренний диаметр не меньше, чем внутренний диаметр держателя небулайзера 12. С внешней стороны кварцевой трубки установлен нагреватель, поддерживающий температуру внутри кварцевой трубки в диапазоне 600-700°С. Весь термический атомизатор помещен в металлический защитный кожух.
Аналитическая кювета 4 может быть выполнена в виде цилиндра, к середине которого герметически приварен входной порт 6, а на его торцевых концах с двух сторон установлены окна 5 в оправах. Между окнами 5 и входным портом 6 с двух сторон ближе к окнам установлены выходные порты 7. Для формирования защитного воздушного потока между окнами 5 и выходными портами 7 изготовлены отверстия 11 или установлены дополнительные входные порты, через которые может поступать воздух в аналитическую кювету. Во внутренней части кюветы установлены нагреватели, поддерживающие температуру анализируемого газа в диапазоне 600-750°С.
Узел газового коллектора 8 может быть выполнен в следующем виде (Фиг.3). Выходные порты 7 аналитической кюветы 4 соединены парогазовыми коммуникациями 23 с сепаратором газ-жидкость 24, который может быть выполнен в виде обратного холодильника, по внешней рубашке которого протекает охлаждающая вода, а в его внутреннюю часть поступает парогазовая смесь. Один конец сепаратора 24 соединен с емкостью для сбора жидкости 25, куда попадает вода после охлаждения парогазовой смеси. Второй конец сепаратора 24 соединен с откачивающим побудителем расхода 9, выполненным в виде диафрагменной помпы.
Атомно-абсорбционный спектрометр 10 может быть выполнен в виде атомно-абсорбционного анализатора ртути с прямым эффектом Зеемана [4], характеризующегося высокой селективностью измерений.
Рассмотрим работу ртутного монитора на примере определения общего содержания ртути в технологической воде теплоэлектростанции. Специфика технологической воды, как объекта анализа, заключается в том, что она содержит растворенные соли жесткости с высокой концентрацией (1-5%). Анализируемая вода поступает в емкость, которая соединена с входом переключающего жидкостного крана. Другие входы клапана соединены с емкостями с дистиллированной водой и со стандартным раствором, необходимыми для проведения холостого измерения и калибровки монитора. Выход переключающего жидкостного крана соединен с жидкостным портом небулайзера. К газовому порту небулайзера подключен источник сжатого воздуха. Сжатый воздух, очищенный от пыли и паров масла, например, с помощью пылевого и масляного фильтра, проходя через небулайзер, создает разрежение в районе газового сопла (эффект Вентури), что приводит к всасыванию жидкости из жидкостного канала небулайзера и ее поступлению в газовое сопло. В газовом сопле медленно поступающая жидкость подвергается воздействию быстрого потока воздуха, что приводит к образованию водного аэрозоля, который далее поступает в термический атомизатор. В термическом атомизаторе, температура которого находится в диапазоне 600-700°С, вода из аэрозольных частиц испаряется, а вся содержащаяся в них ртуть при данной температуре переходит в атомную форму. При испарении воды из аэрозоля образуются мелкие твердые частицы солей (солевой аэрозоль), находящиеся во взвешенном состоянии в газе-носителе. Далее все образовавшиеся компоненты транспортируются газом-носителем в узел аналитической кюветы через ее входной порт. Одновременно в аналитическую кювету поступает атмосферный воздух через отверстия у окон, предотвращающий непосредственный контакт анализируемого газа с поверхностью окон. Из выходных портов аналитической кюветы парогазовая смесь через газовый тройник поступает в сепаратор газ-жидкость, выполненный в виде обратного холодильника, во внешней рубашке которого протекает вода для охлаждения. Второй конец газового тройника соединен трубопроводом с емкостью для сбора жидкости, в которой собирается сконденсированная в обратном холодильнике вода. Трубопровод установлен таким образом, что его второй конец находится в емкости для сбора жидкости всегда ниже уровня воды (при запуске монитора вода дополнительно заливается в эту емкость), таким образом, он выполняет функцию водного затвора для газовой части схемы. Второй конец обратного холодильника соединен с откачивающей помпой, побуждающей откачивающий поток газа после аналитической кюветы.
При образовании водного аэрозоля внутри небулайзера часть образовавшегося аэрозоля оседает на внутренней стенке газового сопла. Поскольку анализируемая вода содержит высокую концентрацию солей жесткости, то при испарении воды из осевшего аэрозоля происходит накопление солей на внутренней поверхности газового сопла, что приводит к изменению геометрии сопла и к быстрому засорению небулайзера. Для устранения засорения небулайзера в канал сжатого воздуха дополнительно вводится дистиллированная вода, которая непрерывно промывает сопло и удаляет из него осевшие соли.
При введении водного аэрозоля в термический атомизатор (Фиг.6) часть аэрозоля испаряется непосредственно в газе-носителе, а часть (без полного испарения воды) успевает достичь нагретых стенок атомизатора - кварцевой трубки 26, помещенной в нагреватель 27, что обусловлено конечным углом распыления 28 водного аэрозоля 29. Для увеличения времени нахождения водного аэрозоля в газе-носителе дополнительно вводится воздушный поток 30 между небулайзером и его держателем. Далее этот дополнительный воздушный поток распространяется вдоль стенок термического атомизатора и тем самым удерживает основной поток аэрозоля в осевой зоне атомизатора, где собственно и происходит испарение воды из аэрозольной частицы с образованием солевого аэрозоля 31. Увеличение траектории движения водного аэрозоля 32 приводит к увеличению доли испарившегося водного аэрозоля в газе-носителе, к снижению скорости оседания соли 33 на стенке термического атомизатора и тем самым к увеличению срока службы термического атомизатора без обслуживания оператором.
3
3
В процессе транспортировки солевого аэрозоля в атомизаторе и в самой подогреваемой кювете (температура аналитической кюветы составляет 650-750°С) солевые соединения частично испаряются с поверхности аэрозольной частицы и переходят в газ-носитель в виде пара. Аналогично, осевшие на поверхности атомизатора солевые соединения при нагреве частично испаряются и переходят в газ-носитель. Наконец, при взаимодействии солевых частиц с поверхностью нагревателей аналитической кюветы материал нагревательных спиралей частично испаряется, и его пары поступают в газ-носитель. Чтобы устранить эффект оседания паров легколетучих соединений из газа-носителя на поверхности окон аналитической кюветы, она имеет конструкцию, при которой окна обдуваются чистым воздухом, и отсутствует непосредственный контакт газа-носителя с окнами кюветы. Схема защиты окон аналитической кюветы представлена на Фиг.4. Газ откачивается из аналитической кюветы через выходные порты 7 с объемной скоростью V1=V11+V12. Через входной порт 6 анализируемый газ подается с объемной скоростью V2. Откачивающая помпа 9 создает разрежение в выходных портах и, соответственно, в аналитической кювете, причем давление в кювете ниже атмосферного. За счет разрежения в аналитической кювете возникает поток воздуха из окружающей атмосферы в аналитическую кювету. Поскольку отверстия расположены в непосредственной близости от выходных портов, создаваемый воздушный поток входит в отверстия и сразу выходит через выходные порты, не распространяясь вдоль оси аналитической кюветы. Скорость откачивающей помпы V1 больше скорости подачи анализируемого газа в аналитическую кювету V2, поэтому скорость защитного воздушного потока V3=V31+V32 составит величину V3=V1-V2. На Фиг.5 приведена зависимость чувствительности измерений от скорости откачивающей помпы V1 при постоянной скорости подачи анализируемого газа V2=2 л/мин. При скоростях откачки, меньших скорости подачи (0-2 л/мин), анализируемый газ занимает всю кювету, включая области между выходными портами и окнами кюветы, при этом чувствительность максимальна (при данных условиях эксперимента чувствительность пропорциональна эффективной длине анализируемого слоя газа). По мере увеличения скорости откачки (2-4 л/мин) анализируемый газ из области между окнами и выходными портами замещается на атмосферный воздух, и, соответственно, чувствительность измерений падает. Дальнейшее увеличение скорости откачки (4-9 л/мин) приводит к незначительному изменению чувствительности, т.е. увеличение скорости прокачки приводит лишь к увеличению защитного воздушного потока при незначительном уменьшении эффективной длины анализируемого слоя газа. Концентрация ртути в воздухе должна быть такой, что попавший в аналитическую кювету воздух (с ртутью) не должен оказывать влияние на результаты измерения ртути в водной пробе. В нашем случае, концентрация ртути не должна превышать значение 6 мкг/м (при 1-часовой стабильности уровня 10%), что практически равно ПДК рабочей зоны (10 мкг/м). Разработанная конструкция узла аналитической кюветы была испытана при анализе реальных проб воды. На Фиг.7 приведена фотография окон с защитным воздушным потоком А и без него В. Из приведенной фигуры следует, что окна с защитным потоком через 14 дней остаются работоспособными (зондирующее излучение атомно-абсорбционного спектрометра проходит через центральную часть окон), в то время как без защитного потока окна приходят в нерабочее состояние уже через 8 часов работы.
2
2
2
2
Другой пример работы ртутного монитора - определение содержания ртути в дымовых газах. Дымовой газ имеет довольно сложный состав: дымовые частицы, пары воды, O, CO, NO, NO, SO, HCl, HF, Hg и ее соединения и т.д. При этом температура газа в точке пробоотбора составляет 100-200°С. Пробоотборный зонд соединен с узлом нагнетающего побудителя расхода подогреваемыми газовыми линиями. В качестве нагнетающего побудителя расхода используется диафрагменная помпа с тефлоновым покрытием на всех элементах, соприкасающихся с газовым потоком. Выход нагнетающей помпы соединен с узлом ввода пробы, после которого анализируемый газ поступает в термический атомизатор, температура которого составляет величину 800-950°С. Этой температуры достаточно для конверсии связанной ртути в элементную форму, а также для значительного снижения скорости окисления элементной ртути. Газ из термического атомизатора транспортируется в аналитическую кювету, нагретую до 850-950°С, через ее входной газовый порт. Для защиты окон от осаждения летучих соединений, находящихся в анализируемом газе, аналитическая кювета имеет конструкцию, при которой окна обдуваются наружным чистым воздухом, что предотвращает прямой контакт окна с анализируемым газом. Выходной газовый порт аналитической кюветы соединен с узлом газового коллектора, в котором температура анализируемого газа снижается до уровня, допустимого для работы откачивающего побудителя расхода, выполненного в виде диафрагменной помпы. Поскольку расход откачивающей помпы выше расхода нагнетающей помпы, то возникает разностный поток через отверстия в районе окон аналитической кюветы, защищающий окна от загрязнения.
Таким образом, данное изобретение позволяет увеличить интервал работы ртутного монитора без обслуживания его оператором по крайней мере в 40 раз.
Список литературы
1. http://www.mercury-instruments.de/EN/products/downloads/Mercury-lnstruments-PA-2-en.pdf.
2. Патент US №5679957.
3. http://www.sick.com MERCEM300Z Mercury Analyzer.
4. А.А. Ганеев, С.Е. Шолупов, М.Н. Сляднев. «Зеемановская модуляционная поляризационная спектрометрия как вариант атомно-абсорбционного анализа: возможности и ограничения», ЖАХ, 1996, т.51, №8, с.855-864.