МЕТОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФОСФОРА В ВОДНОЙ ПРОБЕ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING PHOSPHORUS CONTENT IN WATER SAMPLE

Настоящее изобретение относится к способу определения содержания фосфора в пробе воды согласно отличительной части п.1, а также к устройству для осуществления способа.
Известен способ определения количества конкретных веществ, содержащихся в воде, и, следовательно, качества воды, в частности сточной воды, загрязненной органическими веществами, соединениями азота и/или соединениями галогенов, который состоит в том, что пробу испаряют в среде, содержащей транспортирующий газ (газ-носитель), обогащенный кислородом, сжигают и направляют газообразную смесь, образующуюся в результате сжигания, в датчик, применимый для обнаружения присутствия двуокиси углерода, окисей азота и т.п.
Могут применяться (среди прочих) следующие датчики: инфракрасные датчики для определения содержания углерода, специальные хемилюминесцентные датчики или электрохимические датчики для определения содержания азота и так называемые кулонометрические датчики для определения содержания галогенидов.
2
2
Способы обнаружения путем сжигания пробы воды широко применяются для определения содержания органических веществ в пробе, так называемого общего содержания органического углерода (ОСОУ). С этой целью небольшое количество воды и транспортирующий газ обычно помещают в печь, нагретую до предварительно заданной температуры путем резистивного нагрева, где они почти немедленно испаряются и сгорают, а получаемый газ направляют в недиспергирующий инфракрасный (НДИК) датчик CO, который определяет содержание CO в пробе воды. Более усовершенствованный вариант этого способа и соответствующее устройство описаны в патенте DE 4344441 С2. В патенте ЕР 0684471 А2 описано усовершенствованное устройство для измерения очень малых величин ОСОУ, например, в высокочистой воде или высокочистых растворах для медицинских целей.
В патентах EP 0887643 B1 и EP 1055927 B1 заявителем предложены дополнительно усовершенствованные способы такого рода и соответствующим образом сконструированные реакторы или комплексные устройства.
Помимо упомянутых выше веществ в воде также содержится фосфор, являющийся химическим элементом, который способен существенно влиять на качество сточной воды и на методы, необходимые для переработки такой воды в зависимости от его содержания, в связи с чем в течение некоторого времени повышенное внимание уделяется измерению количества фосфора. Так, в отличие от содержащихся в воде углерода, азота и галогенидов до настоящего времени не существовало способов определения количества фосфора в газообразной среде (газ сгорания + газ-носитель). Вместо этого в применимых в этих целях способах обнаружения используют водный раствор. Иначе говоря, в этих способах используют изменение цвета пробы воды, в которую был добавлен особый реагент; эти способы известны как "синий способ" или "желтый способ", и описаны в соответствующих стандартах (см., например, www.wtw.com/media).
Хотя фосфор присутствует в природной воде в виде трех фракций, а именно, (1) неорганического растворенного ортофосфата, (2) растворенных органических соединений фосфора и (3) фосфора в виде частиц, связанных с биомассой или частицами, известные способы обнаружения основаны на измерении содержания ортофосфата. Таким образом, чтобы определить общее содержание фосфора в пробе воды, необходим анализ фракций (2) и (3) путем их преобразования в ортофосфат, поддающийся обнаружению методом фотометрии.
Давно известен способ такого преобразования, в котором применяется окисление с добавлением химикатов в кислую среду, в некоторых случаях при повышенном давлении и повышенной температуре реакции; смотри, например, JP 2004093509 A. Известным средством определения содержания фосфора в органическом веществе (например, нефти) является смешивание этого вещества со щелочным раствором и сжигание в условиях кислородной атмосферы в герметичном реакционном сосуде; см. JP 62003643 A.
В патенте US 5702954 описана многостадийная процедура анализа содержащих фосфаты образцов растений или тканей животных, которая предусматривает сжигание в присутствии восстанавливающего средства (например, водорода) с последующим преобразованием с помощью озона в другой реакционной камере при температуре внешней среды. В заявке US 2003/0032194 A1 также описан многостадийный способ окисления, разработанный в основном для обнаружения азота и серы, но также фосфора в образце, содержащем эти элементы. Также известны, например, из JP 59154358 A или JP 61140836 A способы термического разложения с применением особых катализаторов или озона.
В различных других известных способах используется фотоокислительное разложение образца под действием ультрафиолетового излучения, в частности, в присутствии катализатора фотоокисления. Способы этого рода описаны, например, в EP 0634646 B1 или JP 07027706 A.
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа и усовершенствованного устройства для определения количества фосфора в пробе воды, которые позволяют осуществлять анализ проб с использованием несложной технологии и меньшего количества расходуемых материалов, что делает их более экономичными и облегчает практическое осуществление.
Эта задача решена в своем методологическом аспекте посредством способа, признаки которого охарактеризованы в п.1, а в том, что касается оборудования, посредством устройства, признаки которого охарактеризованы в п.11. В зависимых пунктах охарактеризованы предпочтительные дополнительные усовершенствования идеи, лежащей в основе изобретения.
В основу изобретения положена существенная и неожиданная идея осуществления разложения пробы, то есть преобразования различных фракций фосфора в ортофосфат, поддающийся обнаружению методом фотометрии, на протяжении одной стадии и без использования катализатора путем сжигания пробы в печи для сжигания (т.е. в присутствии кислорода). Это сжигание осуществляют в форме периодического разложения, т.е. путем введения предварительно заданного небольшого количества пробы в (в других отношениях герметизированную) печь в процессе впрыска.
Кроме того, в изобретении предложена идея отвода образующегося в результате газа из печи для сжигания в потоке газа-носителя и охлаждения этого потока газа с целью получения водного раствора, необходимого для анализа, таким образом, чтобы преимущественно весь фосфор, содержащийся в пробе, содержался в форме ортофосфата в конденсате, выделенном из потока газа.
Предложенный в изобретении способ обладает существенными преимуществами, поскольку он является простым и легко управляемым с самого начала, осуществляется с использованием небольшого числа и количества расходуемых материалов (используемых химических веществ) и оценивается как предпочтительный с эксплуатационной и природоохранной точек зрения.
2
В одном из предпочтительных вариантов осуществления способа подвергнутую разложению пробу используют не только для определения содержания в ней фосфора, но также для определения содержания других веществ, в частности, углерода и/или азота. С этой целью ее в каждом случае направляют в соответствующий датчик, т.е. датчик CO, сконструированный обычным способом (НДИР датчик), чтобы определить содержание углерода, и обычный датчик NO (хемилюминесцентный датчик или электрохимический датчик), чтобы определить содержание азота. В данном случае может использоваться тот же поток, состоящий из газа сгорания и газа-носителя, который отводят из конденсата, чтобы сделать водный раствор доступным для анализа. Вместе с тем, в одном из альтернативных вариантов осуществления способа могут использоваться разнообразные пробы и соответствующие методы разложения, с одной стороны, для определения содержания фосфора и, с другой стороны, для определения содержания C/N. В особом варианте осуществления может быть предусмотрено чередование определения содержания P и C/N в последовательно подвергаемых термическому разложению пробах для анализа.
В другом варианте осуществления предусмотрено, что конденсат собирают в охлаждаемой ловушке, из которой отбирают заданное количество для фотометрического анализа. За счет особо регулируемой конструкции, которая хорошо подходит для обращения с небольшими количествами проб, отбор конденсата из охлаждаемой ловушки и его перемещение до места анализа осуществляется посредством медицинского шприца, в частности шприца с позиционным управлением и/или с электродвигательным приводом.
Дополнительным преимуществом применения медицинского шприца является то, что он также позволяет смешивать отобранный конденсат с реактивом, с которым он должен быть соединен для фотометрического анализа, при этом реактив просто вводят в шприц после конденсата и при необходимости смешивают с конденсатом путем многократного приведения в действие поршня. Затем для осуществления одной из известных методик анализа водный раствор перемещают в проточную кювету. В качестве альтернативы, конденсат также может вводиться в поток реактива.
Ключевая ступень охлаждения потока, состоящего из газа сгорания и газа-носителя, может точно и путем простого электрического регулирования осуществляться в термоэлектрическом охладителе. Кроме того, охлаждение потока, состоящего из газа сгорания и газа-носителя, может осуществляться на двух ступенях, на первой из которых получают конденсат, а на второй охлаждают его до температуры около 0°C (приблизительно 2-4°C).
Что касается предложенного в изобретении устройства, важной идеей является использование газоохладителя, который расположен ниже по потоку относительно сконструированной обычным способом печи для сжигания и имеет охлаждаемую ловушку для отделения конденсата от потока, состоящего из газа сгорания и газа-носителя, а также средство для извлечения конденсата из ловушки и его транспортировки до места проведения фотометрического анализа (устройства для фотометрического анализа). Из этого следует, что печь для сжигания имеет соответствующее средство для обеспечения доступности и подачи газа-носителя и пробы, а также соединения выходного отверстия печи и газоохладителя, а устройство в конечном итоге также содержит фотометрический датчик для обнаружения фосфора.
В одном из практических вариантов осуществления этого устройства предусмотрено, что газоохладитель имеет две ступени охлаждения, при этом его охлаждаемая ловушка расположена в первой ступени охлаждения. В одном из вариантов осуществления устройство является особо простым, легкоуправляемым и удобным в обращении за счет того, что газоохладитель и/или по меньшей мере одна ступень охлаждения реализованы в виде термоэлектрического охладителя с электрическим терморегулированием.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройство для транспортировки конденсата отличается тем, что представляет собой медицинский шприц с позиционным управлением и/или приводом от шагового электродвигателя. В этом случае охлаждаемая ловушка и устройство для транспортировки конденсата адаптированы друг к другу таким образом, что медицинский шприц погружают сверху в емкость с конденсатом (к которой, разумеется, имеется доступ сверху). Пробы также можно помещать в печь для сжигания таким же способом, т.е. с помощью медицинского шприца, который впрыскивает сверху пробу воды или сточной воды.
Помимо этого, в одном из вариантов осуществления изобретения печь для сжигания сконструирована как герметизированная вертикальная печь, при этом в верхнюю зону печи подают газ-носитель и пробу, а в ее нижней зоне расположен трубопровод для отвода газа сгорания/газа-носителя. Эта герметичность обеспечивается за счет использования соответствующих клапанов на трубопроводах для подачи пробы и газа-носителя, а также на трубопроводе для отвода газа.
2
В другом варианте осуществления предложенное устройство помимо средства определения содержания фосфора имеет датчик CO для определения содержания углерода и/или датчик NO для определения содержания азота, каждый из которых расположен на газоотводной трубе газоохладителя.
Дополнительные преимущества и полезные признаки изобретения станут очевидными из следующего далее описания примера осуществления и его существенных особенностей со ссылкой на чертежи. На чертежах:
на фиг.1 схематически проиллюстрировано поперечное сечение основных участков печи для сжигания устройства согласно изобретения,
на фиг.2 представлен схематический вид всего предложенного в изобретении устройства и
на фиг.3 схематически проиллюстрировано поперечное сечение центральных компонентов охлаждаемой ловушки устройства, показанного на фиг.2.
На фиг.1 схематически проиллюстрировано поперечное сечение наиболее важных частей печи 1 для сжигания проб согласно предложенного в изобретении способа, в которую может быть помещен преимущественно удлиненный цилиндрический керамический реакционный сосуд 2 (очертания которого представлены на фиг.1 пунктирной линией). На его нижнем конце (на холодном конце печи) имеется трубчатое выпускное отверстие диаметром 6-10 мм, которое можно легко прочищать снизу с целью удаления солевых отложений.

Печь 1 имеет первую, верхнюю зону 3 нагрева, в которой согласно рассматриваемому варианту осуществления может быть достигнута максимальная температура 800°C, и вторую, нижнюю зону 4 нагрева, в которой максимальная температура составляет 1250°C. Нагрев обеих зон нагрева осуществляют посредством нитей 5, 6 накала в форме полых цилиндров, изготовленных из особого жаропрочного сплава, а именно, Kanthal-Fibrothal, и расположенных вокруг соответствующего участка реакционного сосуда 2. Верхняя и нижняя зоны нагрева имеют теплоизоляторы 7 и 8 из керамического волокна различной толщины с учетом различий в максимальной температуре; нижние области, т.е. область 10a, 10b между зонами нагрева и область 11a, 11b ниже алюминиевой крышки 12 также изолированы керамическим волокном. Также имеется устройство (не показано) для загрузки пробы и подачи газа-носителя, расположенное в области над крышкой 12.
Печь, имеющая конструкцию, показанную на фиг.1 и описанную выше, выгодно обеспечивает генерацию высоких температур в течение длительного времени, в особенности, во второй, нижней зоне 4 нагрева, а особая изоляция способствует приемлемому расходу энергии и исключает потенциальную опасность для окружающей среды.
Пробу воды, помещенную в эту печь для сжигания, подвергают разложению путем сжигания без использования катализатора при температуре не ниже 1200°C, предпочтительно около 1250°C таким образом, что все различные содержащиеся в ней фракции фосфора преобразуются в ортофосфат и тем самым становятся доступными для обнаружения известными и стандартными способами (в частности, синим и желтым способами), как это доказано автором изобретения.
На фиг.2 схематически показана общая принципиальная конструкция измерительного устройства 13 для определения содержания различных веществ, содержащихся в сточной воде или воде, предназначенной для использования. В качестве основного компонента этого устройства 13 на фиг.1 проиллюстрирована описанная выше печь 1 для сжигания; вместе с тем, в качестве альтернативы, вместо нее может использоваться печь для сжигания другого типа (возможно, с радиационным нагревом). Для ясности на этом схематическом представлении не отображены не существенные для изобретения элементы, такие как элементы, служащие для калибровки и очистки измерительного устройства.
Также не показан блок управления (контроллер), который управляет всей последовательностью событий разложения пробы и процессов измерения, и который с этой целью, разумеется, соединен с основными средствами блокирования, транспортировки, нагрева и обнаружения предложенного устройства. С учетом описанных в изобретении методов и поясненной далее конструкции устройства реализация и работа такого блока управления находится в пределах компетенции специалиста в данной области техники.
С печью 1 для сжигания соединен расположенный с первичной стороны контейнер 14 для хранения газа-носителя для измерений, который является одним из ключевых элементов измерительного устройства 13 и с которым соединено входное вентильное устройство 15. Кроме того, печь имеет устройство 17 регулирования нагрева для регулирования электрического нагрева печи и устройство 18 для подачи проб в клапан 19 впрыска проб в печь.
Устройство 18 для подачи проб имеет емкость 20 для проб, которая может быть установлена, например, на входе водоосветлительной установки, устройство 21 впрыска, которое с возможностью транспортировки установлено на транспортном средстве 22, и соответствующий регулятор 23 транспортировки. Устройство 21 впрыска содержит дозировочный шприц 24 и шаговый электродвигатель 25 для обеспечения точно регулируемого приведения в действие шприца и, следовательно, дозирования предварительно заданного объема пробы.
На выходе печи 1 находится первая ступень 26 охлаждения, которая включает охлаждаемую ловушку 27, термоэлектрический охладитель 28 и соответствующий регулятор 29 температуры с температурным датчиком 29а на охлаждаемой ловушке 27 или внутри нее. Ниже по потоку относительно первой ступени 26 охлаждения находится вторая ступень 30 охлаждения, включающая охладительный блок 31 с соответствующим термоэлектрическим охладителем 32 и служащий для управления им термограф 33 с температурным датчиком 33а.
На первой ступени 26 охлаждения расположено другое устройство 34 впрыска, которое по аналогии с устройством 21 впрыска в печь 1 для сжигания содержит медицинский шприц 35 с шаговым электродвигателем 36 для его точного регулируемого приведения в действие. Кроме того, это устройство 34 впрыска также установлено на транспортном средстве 37, с которым соединен блок 38 управления транспортировкой устройства впрыска во второе рабочее положение. Второе рабочее положение расположено над проточной кюветой 39, в которую, как и в охлаждаемую ловушку 27, может быть вставлена игла медицинского шприца 35. Это второе рабочее положение обозначено пунктирной линией, как и исходное рабочее положение устройства 21 впрыска.
К входу проточной кюветы 39 посредством насоса 40 прикреплен контейнер 41 для реактивов, в котором хранится химикат, необходимый для фотометрического обнаружения фосфора. Проточная кювета 39 выступает внутрь фотометра 42, который рассчитан на фотометрический анализ пробы воды, протекающей через проточную кювету 39, выход которой соединен с устройством 43 определения содержания фосфора.
2
На выходе второй ступени 30 охлаждения выходной трубопровод 44 печи 1 для сжигания делится на две ветви, одна из которых ведет к датчику 45 NO, выпускная сторона которого соединена с устройством 46 определения общего содержания азота (ОСА), а другая ведет к датчику 47 CO, выпускная сторона которого соединена с устройством 48 определения содержания углерода (ОСОУ).
Хотя из приведенного выше описания предложенного в изобретении способа в основном ясно, как функционирует измерительное устройство 13, далее это снова изложено в краткой форме.
С помощью первого устройства 21 впрыска из резервуара 20 отбирают пробу воды, перемещают до печи 1 для сжигания и впрыскивают в печь. При температурах, заданных внутри печи, проба почти мгновенно испаряется и сгорает, а образующийся газ сгорания отводят из печи в выходной трубопровод 44 вместе с потоком газа-носителя, подаваемого из контейнера 14 для хранения газа-носителя. Поток, состоящий из газа сгорания и газа-носителя, охлаждают в охладителе до первой температуры охлаждения, при которой в охлаждаемой ловушке 27 образуется конденсат. С помощью второго устройства 34 впрыска извлекают предварительно заданное количество этого конденсата и помещают в проточную кювету 39, в которой его смешивают с реактивом, подаваемым насосом 40, для обеспечения процесса фотометрического анализа, а затем направляют в фотометр 42 для обнаружения фосфора.
2
На второй ступени 30 охлаждения поток, состоящий из газа сгорания и газа-носителя, охлаждают до второй температуры охлаждения, близкой к 0°C, и направляют газ с другой стороны ступени охлаждения в датчики 45 и 47 для обнаружения NO и CO. После получения результатов обнаружения от датчиков 42, 45 и 47 на соответствующих устройствах 43, 46 и 48 определяют общее содержание фосфора (ОСФ), общее содержание азота (ОСА) и общее содержание органического углерода (ОСОУ) в пробе воды, взятой из резервуара 20 и подвергнутой разложению в печи 1 для сжигания.
На фиг.3 более подробно показан вид в поперечном сечении конструкции охлаждаемой ловушки 27. В прямоугольнике 27а, обозначающем основной корпус, предусмотрен входной участок 27b, посредством которого охлаждаемая ловушка 27 сообщается с выходом печи 1 для сжигания и через который поступает поток G, состоящий из газа сгорания и газа-носителя. Входной участок 27b ведет в вертикальный канал 27с, в нижней части которого во время охлаждения потока газа осаждается конденсат К. В верхней части основного корпуса 27а предусмотрен дополнительный горизонтальный проходной участок 27d, который ведет в канал 27с и посредством которого охлажденный и не содержащий конденсат поток G', состоящий из газа сгорания и газа-носителя, в конечном итоге направляют на вторую ступень 30 охлаждения. Нижний конец канала 27с закрыт пробкой 27е.
Осуществление изобретения не ограничено поясненным выше примером и рассмотренными в описании особенностями, и также возможно большее число усовершенствований, находящихся в пределах компетенции специалиста в данной области техники. В частности, описанное двухступенчатое устройство охлаждения может быть заменено простым одноступенчатым газожидкостным сепаратором, а, что касается устройства подачи проб с использованием первого устройства впрыска и/или установки и транспортировки второго устройства впрыска, в целях сокращения расходов возможны упрощения, в частности, за счет исключения соответствующего механизма транспортировки с электронным управлением.