УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ РТУТИ В ВОДЕ

Полезная модель относится к области аналитической химии, а именно к аналитическому контролю ртути в воде.
Необходимость контроля содержания ртути в воде обусловлена токсичностью этого металла и его соединений, способностью к миграции и биоконцентрации. Низкая величина предельно допустимой концентрации (ПДК) элементной ртути в водоемах (0,5 мкг/л для пресных и 0,1 мкг/л для морских рыбохозяйственных водоемов) требует применения высокочувствительных устройств и методов анализа.
Среди устройств определения ртути наиболее эффективным и чувствительным является атомно-абсорбционные анализаторы ртути, работа которых основана на восстановлении ртути в растворах до элементного состояния и анализе газовой фазы методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Для увеличения предела обнаружения используют поглощение паров ртути небольшим объемом окислителя.
Например, известна установка для концентрирования пробы ртути (Н.И. Петрова, Т.М. Корда «Атомно-абсорбционное определение ртути в сточной и водопроводной воде с электротермической атомизацией пробы» журнал «Заводская лаборатория. Диагностика материалов» №9, т.65 стр.20) (1), содержащая реакционный сосуд, связанный с сосудом с раствором окислителя посредством трубки со шлифом и пористой насадкой для пропускания воздуха. В реакционный сосуд наливают пробу, добавляют хлористое олово и пропускают воздух. Выделившаяся ртуть потоком воздуха переносится в сосуд с окислителем.
Известны атомно-абсорбционные анализаторы ртути, в которых используется электротермическая атомизация (ЭТА)
Например, известен атомно-абсорбционный анализатор ртути с.ЭТА (Патент РФ 2353908 МКИ G01J 1/00) (2) содержащий ртутную лампу низкого давления, газовую камеру с кварцевыми окошками, соединенную с генератором атомного пара ртути, фотоприемное устройство и индикатор атомной абсорбции.
Известен атомно-абсорбционный спектрофотометр АА-860 с электротермической атомизацией (ЭТА) (Инструкция по эксплуатации атомно-абсорбционного, пламенно-эмиссионного спектрофотометра АА-860, фирма «Янако» Киото, 1983 г) (3) содержащий ртутную лампу, генератор атомного пара ртути, фотоприемное устройство и регистратор атомной абсорбции. В качестве генератора атомного пара ртути в комплекте со спектрометром АА-860 используют электротермический атомизатор FLA-100 (Инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации беспламенного атомизатора «FLA-100» для ААПИ спектрофотометрии фирмы «NSA» фирма «Янако», Япония, 1983 г.) (4), включающий графитовую трубку, закрепленную в держателе и установленную между ртутной лампой и фотоприемным устройством. Измерения проводятся следующим образом. 20 мкл пробы дозируют в графитовую трубку, в которой по определенной программе происходит сушка, озоление и атомизация пробы, при которой пары ртути заполняют полость графитовой трубки. Через графитовую трубку проходит свет от ртутной лампы и попадает на фотоприемное устройство, где световой сигнал преобразуется в электрический и поступает на регистратор. Спектрофотометр АА-860 с электротермической атомизацией (ЭТА) величину сигналов может измерять в двух режимах: по амплитуде сигнала или по его площади. Предел обнаружения ртути для спектрофотометра АА-860 в электротермическом варианте равен 25 мкг/л.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является ртутный анализатор HG-1 с атомно-абсорбционной спектрометрией (AAC) (Instruction manual HG-1, Mercury analyzer, 1982, Hiranuma sangyo со. LTD) (5) фирмы «Хиранума» (Япония) работающий по методу холодного пара. Анализатор содержит циркуляционную и измерительную системы. Циркуляционная система включает реакционный сосуд, двухсекционный компрессор, охладитель, газовую камеру, переключатель режимов работы, которые посредством виниловых трубок 7 соединяются между собой в замкнутую систему. Измерительная система включает ртутную лампу, фотоприемник и регистратор атомной абсорбции. Газовая камера установлена между ртутной лампой и фотоприемным устройством. Диаметр газовой камеры 22 мм. Измерительная система анализатора величину сигналов может измерять в одном режиме - по амплитуде сигнала. Анализатор с атомно-абсорбционной спектрометрией (ААС) работает следующим образом. Пробу (100 мл) помещают в реакционный сосуд, затем в него добавляют восстановитель (хлорид олова), в котором ионы ртути восстанавливаются до металлической. Переключатель ставится в режим «циркуляция». Включается первая секция компрессора. Происходит «барботирование» пробы. Ртуть переводится из пробы в газовое состояние. Пары ртути по виниловой трубке из реакционного сосуда попадают в охладитель, в котором происходит охлаждение паров ртути. В результате пары воды, выделенные из пробы вместе с парами ртути, конденсируются и собираются в ловушке охладителя. Из охладителя, очищенные от паров воды, пары ртути по виниловой трубке поступают в газовую камеру, которая прогревается нагревателем для предотвращения оседания ртути на стенках газовой камеры. Через газовую камеру проходит свет от ртутной лампы и попадает на фотоприемное устройство, где преобразуется в электрический сигнал, замеряемый регистратором по амплитуде поступившего сигнала. После окончания измерений переключатель ставят в режим «выброс» и поток воздуха с парами ртути с выхода газовой камеры по виниловой трубке выводится из циркуляционной системы в поглотитель, в котором пары ртути растворяются в окислительном растворе. После вывода паров ртути из циркуляционной системы анализатор готов к анализу следующей пробы воды.
Ртутный анализатор HG-1 с атомно-абсорбционной спектрометрией (ААС) обеспечивает предел обнаружения ртути в воде около 0,05 мкг/л., что недостаточно при анализе природных и особо чистых вод.
Целью предлагаемой полезной модели является снижение пределов обнаружения ртути.
Технический результат - возможность определения ртути в особо чистых и природных водах
Цель достигается тем, что в устройстве для определения содержания ртути в воде, содержащем циркуляционную и измерительную системы, в котором циркуляционная система включает реакционный сосуд, двухсекционный компрессор, охладитель, газовую камеру, переключатель, связанные посредством виниловых трубок в замкнутую систему, а измерительная система содержит ртутную лампу, фотоприемник и индикатор атомной абсорбции, согласно полезной модели, в качестве измерительной системы выбран спектрофотометр с электротермической атомизацией, который связан с циркуляционной системой посредством дополнительно введенной в устройство стеклянной трубки диаметром 2,5-3 мм, горизонтально установленной в держателе спектрофотометра между ртутной лампой и фотоприемником, при этом на боковой поверхности стеклянной трубки выполнен патрубок, к которому подсоединена виниловая трубка, через переключатель и компрессор подключенная к выходу газовой камеры.
Замена измерительной системы ртутного анализатора ААС на измерительную систему абсорбционного спектрофотометра с ЭТА значительно снижает пределы обнаружения ртути в воде. Это связано с более высокой чувствительностью измерительной системы спектрофотометра с ЭТА, а также с возможностью регистрации аналитических сигналов не только по амплитуде, но и по их площади.
Установка в держателе атомизатора абсорбционного спектрофотометра с ЭТА вместо графитовой трубки - стеклянной трубки, снабженной патрубком, к которому подсоединена виниловая трубка с выхода газовой камеры ртутного анализатора ААС, позволяет подключить циркуляционную газовую систему ртутного анализатора ААС к измерительной системе абсорбционного спектрофотометра с ЭТА.
Выбор диаметра стеклянной трубки 2,5-3,2 мм, что в 7,3-7,8 раза меньше диаметра газовой камеры циркуляционной системы позволяет повысить концентрацию паров ртути поступившей из циркуляционной системы в измерительную систему спектрофотометра с ЭТА, что также значительно повысит чувствительность определения ртути.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства для определения содержания ртути в воде.
Устройство содержит циркуляционную систему 1 ртутного анализатора ААС и измерительную систему 2 спектрофотометра с электротермической атомизацией (ЭТА). Циркуляционная система 1 включает реакционный сосуд 3, двухсекционный компрессор 4, охладитель 5, переключатель 6 режимов работы, газовую камеру 7, которые посредством виниловых трубок соединяются между собой в замкнутую систему. В реакционном сосуде 3 размещены две трубки: трубка 8, которая через переключатель 6 связана с первой секцией 9 компрессора 4, и трубка 10, которая проходит через охладитель и подключается к входу газовой камеры 7. Трубка 8 снабжена пористой насадкой 11 для барботирования пробы. Трубка 10 снабжена шлифом для вывода потока воздуха с парами ртути из реакционного сосуда 3. В охладителе 5 установлена ловушка 12 для сбора паров воды, которая подсоединена к трубке 10. В охладителе 5 установлена виниловая трубка 13, подключенная ко второй секции 14 компрессора 4. Трубка 13 снабжена пористой насадкой 11 для барботирования воды охладителя 5. Газовая камера 7 имеет диаметр 22 мм и снабжена подогревателем 15.
Измерительная система 2 спектрофотометра с ЭТА включает ртутную лампу 16, фотоприемник 17 держатель 18 атомизатора и индикатор 19 атомной абсорбции, работающий в двух режимах. В первом режиме измеряется концентрация ртути в пробе по амплитуде поступивших на вход индикатора 19 аналитических сигналов, и во втором режиме - по их площади. Для подключения циркуляционной газовой системы 1 ртутного анализатора ААС к измерительной системе 2 абсорбционного спектрофотометра с ЭТА в держателе 18 атомизатора вместо графитовой трубки горизонтально закрепляют стеклянную трубку 20, выполненную с патрубком 21, на который надета виниловая трубка 22, соединенная через переключатель 6, первую секцию 9 компрессора 4 с выходом газовой камеры 7 циркуляционной системы 1. Переключатель 6 имеет два положения. В положении «циркуляция» происходит подключение выхода первой секции 9 компрессора 4 к виниловой трубке 8 реакционного сосуда 3 для барботирования воздуха в пробе. Во втором положении «выброс», происходит отключение газовой трубки 8 от компрессора 4 и подключение выхода газовой камеры 7 через виниловую трубку 22, первую секцию 9 компрессора 4 к патрубку 21 стеклянной трубки 20. Стеклянная трубка 20 имеет диаметр 2,5-3,2 мм.
Устройство работает следующим образом.
Пробу (100 мл) помещают в реакционный сосуд 3. Затем в нее добавляют восстановитель (хлорид олова), после чего ионы ртути восстанавливаются до металлической. Переключатель 6 ставится в положение «циркуляция». В сосуд 3 через трубку поступает воздух от первой секции 9 компрессора 4 и пропускается через пробу. Происходит испарение ртути и воды из пробы. Через трубку 10 смесь паров ртути и воды поступает в охладитель 5. В охладителе 5 происходит охлаждение поступивших паров за счет барботирования воды в охладителе 5 потоком воздуха от второй секции 14 компрессора 4, которая включена постоянно в процессе работы устройства. Пары воды, испарившиеся из пробы вместе с парами ртути, конденсируются в ловушку 12 охладителя 5. Очищенные от паров воды, пары ртути из охладителя 5 поступают в газовую камеру 7, которая прогревается подогревателем 15 для предотвращения оседания ртути на стенках газовой камеры 7. Через 8-10 сек. включают измерительную систему 2 спектрофотометра с ЭТА. Индикатор 19 атомной абсорбции спектрометра ставят в один из режимов измерения поступивших аналитических сигналов, например площади поступивших на его вход сигналов. Время измерения устанавливают 20-30 сек. Переключатель 6 циркуляционной системы 1 ставят в положение «выброс». Газовая трубка 8 сосуда 3 отключается от первой секции 9 компрессора 4. Первая секция 9 компрессора 4 подключается к виниловой трубке 22, подключая ее к выходу газовой камеры 7. Происходит вывод паров ртути из циркуляционной системы 1 в измерительную систему 2 следующим образом. Компрессор 4 через первую секцию 9 выводит поток воздуха с парами ртути из газовой камеры 7 по виниловой трубке 22, патрубок 21, в стеклянную трубку 20. Спектрофотометр проводит замер концентрации ртути в стеклянной трубке 20. После вывода паров ртути из циркуляционной системы 1 устройство готово к анализу следующей пробы воды.
Благодаря диаметру (2,5-3,0 мм) стеклянной трубки 20 в 7,3-8.8 раза меньше диаметра (22 мм) газовой кюветы, происходит повышение концентрации паров ртути, поступивших в стеклянную трубку из газовой кюветы, что повышает чувствительность определения ртути. Повышение чувствительности определения ртути происходит также, во-первых, за счет более высокой чувствительности спектрофотометра с ЭТА по сравнению с измерительной системой ртутного анализатора ААС, а во-вторых, благодаря возможности измерения концентрации ртути по суммированию площадей аналитических сигналов, поступивших с выхода фотометра.
Предлагаемое устройство было опробовано в процессе измерения содержания ртути в воде и показало, что способно измерять содержание ртути на уровне 0,01 мкг/л. и ниже. Таким образом, с помощью предложенной схемы возможно определение микроколичеств ртути в особо чистых и природных водах.
Использованные источники
1. Н.И.Петрова, Т.М.Корда «Атомно-абсорбционное определение ртути в сточной и водопроводной воде с электротермической атомизацией пробы» журнал «Заводская лаборатория. Диагностика материалов» №9, т.65 стр.20
2. Патент РФ 2353908 МКИ G01J 1/00
3. Инструкция по эксплуатации атомно-абсорбционного, пламенно-эмиссионного спектрофотометра АА-860, фирма «Янако» Киото, 1983 г
4. Инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации беспламенного атомизатора «FLA-100» для ААПИ спектрофотометрии фирмы «NSA» фирма «Янако», Япония, 1983 г.
5. Instruction manual HG-1, Mercury analyzer, 1982, Hiranuma sangyo со. LTD (прототип).