ФОТОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ГАЗООБРАЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Полезная модель относится к аналитической химии, а именно к устройствам, обеспечивающим с помощью ультрафиолетового (УФ) излучения фотохимическую генерацию (ФХГ) газообразных соединений определяемых элементов.
При определении низких содержаний элементов (на уровне ppm и ниже) в жидких пробах и в растворах после пробоподготовки твердых образцов применяют устройства обработки анализируемых растворов УФ излучением для генерации газообразных соединений определяемых элементов и отделения их от жидкой матрицы анализируемого раствора. Это устраняет негативное влияние матричных компонентов пробы и тем самым обеспечивает необходимые метрологические характеристики результатов определений. Известно, что для достижения наибольшей эффективности такой обработки требуется снизить потери энергии УФ излучения при передаче ее от УФ лампы к анализируемому раствору. Поглотителями УФ излучения являются: стенка сосуда с анализируемым раствором, кварцевый баллон УФ лампы.
Кроме того, необходимо избежать расслоения газожидкостной смеси и обеспечить максимальное ее перемешивание в фотохимическом генераторе, что также позволит повысить эффективность фотохимической генерации и увеличить чувствительность измерений.
Для снижения потерь энергии УФ излучения предложен фотохимический генератор, в котором поток газожидкостной смеси анализируемого раствора протекает внутри кварцевого реакционного капилляра, впаянного во внутрь ртутной газоразрядной лампы [«Ultraviolet vapor generation atomic fluorescence spectrometric determination of mercury in natural water with enrichment by on-line solid phase extraction», Deyuan Qin, Feng Gao, Zhaohui Zhang, Liqian Zhao, Jixin Liu, Jianping Ye, Junwei Li, Fengxi Zheng // Spectrochimica Acta Part B. 2013. Vol.88. P. 10-14.]. Образующиеся газообразные продукты определяемых элементов поступают к детектору. В данном устройстве снижение потери энергии УФ излучения, взаимодействующего с анализируемым раствором, достигнуто за счет размещения капилляра для газожидкостной смеси анализируемого раствора внутри ртутной газоразрядной лампы. При этом реакционный капилляр изготовлен из различных марок оптического кварца.
Недостатки данного устройства - сложный процесс его изготовления, который может быть реализован только в условиях производства газоразрядных ламп с применением вакуумного оборудования, сварки кварцевого стекла, а также необходимость применения специальных материалов.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является фотохимический генератор газообразных соединений, содержащий ультрафиолетовую лампу и реакционный сосуд. Цилиндрический кварцевый баллон УФ лампы закреплен с помощью герметичных уплотнителей внутри полого цилиндрического реакционного сосуда из фторопласта, снабженного отверстием ввода, расположенным снизу относительно УФ лампы, и отверстием вывода, расположенным сверху над УФ лампой, и находящихся относительно друг друга по диагонали реакционного сосуда (патент РФ №144061, МПК G01N 21/00 (2006.01) B01J 19/00 (2006.01). Анализируемый раствор протекает в зазоре, образуемом цилиндрическим кварцевым баллоном УФ лампы и стенкой полого цилиндрического реакционного сосуда из фторопласта. Снижение потери энергии УФ излучения достигается за счет отсутствия поглотителей УФ излучения между УФ лампой и анализируемым раствором.
Недостаток данного устройства - малая его эффективность из-за расслоения и недостаточного перемешивания газожидкостной смеси, поступающей в фотохимический генератор газообразных соединений.
Технический результат предлагаемого устройства состоит в повышении эффективности процесса ФХГ, за счет улучшения перемешивания и отсутствия расслоения газожидкостной смеси, что обеспечивает увеличение чувствительности спектрометрических измерений.
Для достижения технического результата предлагается фотохимический генератор газообразных соединений, содержащий ультрафиолетовую (УФ) лампу, реакционный сосуд. Цилиндрический кварцевый баллон УФ лампы закреплен с помощью герметичных уплотнителей внутри полого цилиндрического реакционного сосуда. На разных концах полого цилиндрического реакционного сосуда расположено по три штуцера. Из них три штуцера для ввода газожидкостной смеси и три штуцера для вывода газожидкостной смеси. Относительно друг друга штуцеры ввода и штуцеры вывода на каждом из концов полого цилиндрического реакционного сосуда расположены под углом 120°. При этом штуцеры ввода относительно штуцеров вывода смещены под углом 60°.
Признаками общими с прототипом являются:
- наличие ультрафиолетовой лампы;
- наличие полого цилиндрического реакционного сосуда;
- крепление цилиндрического кварцевого баллона УФ лампы с помощью герметичных уплотнителей внутри полого цилиндрического реакционного сосуда;
- наличие входного и выходного отверстий в полом цилиндрическом реакционном сосуде.
Отличительными признаками заявляемого устройства от прототипа являются:
- наличие трех штуцеров, на каждом конце полого цилиндрического реакционного сосуда;
- расположение штуцеров на каждом из концов полого цилиндрического реакционного сосуда относительно друга под углом 120°;
- на разных концах полого цилиндрического реакционного сосуда штуцеры смещены относительно друг друга под углом 60°.
На фигуре 1 а) представлена схема заявляемого устройства фотохимической генерации газообразных соединений в разрезе по Б-Б; на фигуре 1 б) - схема заявляемого устройства фотохимической генерации газообразных соединений в разрезе по А-А; на фигуре 2 - схема измерения аналитических сигналов ртути методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС), с использованием заявляемого фотохимического генератора; на фигуре 3 показана зависимость величины аналитического сигнала (АС) ртути от скорости потока анализируемого раствора.
Предлагаемое устройство фотохимической генерации состоит из УФ лампы 1 с цилиндрическим кварцевым баллоном 2, полого цилиндрического реакционного сосуда 3 и герметичных уплотнителей 4. Реакционный сосуд 3 снабжен тремя штуцерами ввода 5 и тремя штуцерами вывода 6. Штуцеры ввода 5 и штуцеры вывода 6 расположены на противоположных концах реакционного сосуда 3. Относительно друг друга штуцеры ввода 5 расположены под углом 120°. Штуцеры вывода 6 относительно друг друга также расположены под углом 120°. При этом штуцеры ввода 5 относительно штуцеров вывода 6 смещены под углом 60°.
Для измерения аналитического сигнала ртути методом ААС с ФХГ паров ртути фторопластовые трубки 7 и 8 проточной системы от насосов 9 и 10 соответственно подключаем через делитель потока 11 и смеситель потока 12 к генератору газообразных соединений 13, который устанавливаем вертикально, через соответствующие штуцеры 5 и 6 (последние на блок-схеме не показаны). Включаем встраиваемые перистальтические насосы 9 и 10 проточной системы и опускаем конец трубки 14 для пробоотбора в емкость 15, заполненную бидистиллированной водой. После заполнения реакционного сосуда 3 водой и выхода ее по трубке 8 включаем лампу 1 и прогреваем ее в течение 20 минут.
Затем включаем подачу инертного газа 16, заполняем емкость 15 анализируемым раствором и необходимыми реагентами. Газообразные продукты УФ обработки анализируемого раствора переходят в фазу, образованную инертным газом. После выхода из фотохимического генератора 13 анализируемая газожидкостная смесь и газообразные соединения поступают через смеситель потока 12 и фторопластовую трубку 8 в насос 10 и далее в газожидкостный сепаратор 17, в котором газообразные вещества отделяются и поступают через пробоподающий капилляр 18 в атомно-абсорбционный спектрометр (на фигуре не изображен). Жидкая фракция после сепаратора 17 удаляется в сливную емкость 19.
Параметры работы атомно-абсорбционного спектрометра приведены в табл. 1.
Таблица 1 -
Режимы работы атомно-абсорбционного спектрометра «Shimadzu АА-6800» при измерении аналитического сигнала ртути
Параметр
Значение
Тип лампы
Лампа с полым катодом на ртуть
Ток лампы
4 мА
Ширина щели
1 нм
Длина волны
253,7 нм
Измерительная ячейка
7×110 мм
Для оценки эффективности работы заявляемого устройства ФХГ проведено сравнение значений АС ртути, полученных при использовании заявляемого устройства с АС ртути, полученными при использовании наиболее близкого аналога. Из зависимостей АС ртути от скорости потока анализируемого раствора на фиг. 3, для предлагаемого устройства представленной кривой 20, и для наиболее близкого аналога, представленной кривой 21, видно, что при скорости потока анализируемого раствора 6,3 мл/мин и концентрации ртути в анализируемом растворе 10 мкг/л, средний АС ртути для предлагаемого устройства составляет 0,316 единиц абсорбционности, в то время как средний АС ртути для наиболее близкого аналога составляет 0,163 единиц абсорбционности. Таким образом, предлагаемое устройство позволило повысить АС ртути на 94%. Это позволяет сделать вывод о повышении эффективности предлагаемого фотохимического генератора.
При аналогичных условиях измерений экспериментально было выявлено влияние количества штуцеров на величину АС ртути.
Таблица 2 -
АС ртути, полученные с различным количеством штуцеров у фотохимического генератора газообразных соединений
Количество штуцеров ввода / вывода
АС ртути, ед. абсорбционности
1/1
0,163
2/2
0,250
3/3
0,316
Как видно из табл. 2, использование 3-х штуцеров ввода и 3-х штуцеров вывода позволяет повысить АС ртути по сравнению их меньшим количеством.
Большее количество штуцеров не использовали для упрощения конструкции фотохимического генератора соединений.
Предложенная конструкция с тремя штуцерами ввода и тремя штуцерами вывода и вертикальное расположение фотохимического генератора при использовании позволяют избежать расслоения газожидкостной смеси. Смещение штуцеров ввода относительно штуцеров вывода позволяет улучшить перемешивание газожидкостной смеси, протекающей в фотохимическом генераторе. Таким образом, достигнуто увеличение чувствительности измерений, что позволяет говорить о повышении эффективности процесса фотохимической генерации.