РАЗБАВЛЕНИЕ ПРОБЫ
DILUTION OF SAMPLE

Изобретение касается анализатора проб, в частности загрязненной воды или сточных вод, и имеет реактор для термического разложения заданного количества пробы, при этом реактор оснащен инжекционным портом для введения в него пробы по меньшей мере одной емкостью для хранения раствора пробы и управляемым перемещаемым инжекторным устройством, расположенным между емкостью для хранения раствора пробы и реактором, предназначенного для приемки пробы из емкости для хранения и последующего введения раствора пробы в инжекторный порт на реакторе.
Кроме того, изобретение касается способа анализа раствора пробы, в частности, загрязненной воды или сточных вод, при этом раствор пробы хранится внутри по меньшей мере одной емкости для хранения раствора, а одна из отмеренных проб термически разлагается в реакторе, продукты разложения передаются на детектор для количественного обнаружения элементов, в частности углерода, азота или фосфора. Известно, что водные растворы, в частности, сточные воды и свежую воду следует сжигать в реакторе для определения общего содержания общего органического углерода (ТОС), а газообразные продукты сгорания подавать в соответствующие детекторы для обнаружения соединений для того, чтобы сделать вывод о содержании общего органического углерода в водном растворе. Способ для определения содержания общего органического углерода известен из описания европейского изобретения ЕР 0887643 А1. В рамках этого способа пробу сначала нагревают от исходной температуры, установленной ниже температуры кипения воды, до температуры испарения, а на втором этапе доводят до гораздо более высокой температуры сгорания, предпочтительно в диапазоне от 800 до 1000°С. Из описания изобретения DE 19923139 А1 известен способ и устройство для разложения водного раствора для определения содержания общего органического углерода, в котором разложение включает в себя каталитическое сжигание при температуре выше 1000°С, в частности выше 1200°С.
Другим общим параметром для количественной оценки нагрузки по органическим сточным водам является общее потребление кислорода (ОПК), определение которого включает в себя термическое окисление путем сжигания пробы в высокотемпературном реакторе. Из описания изобретения JP-B-977-26111 известно комбинированное измерение общего содержания органического углерода (TOC) и общего потребления кислорода (ОПК), в которых проба разлагается в камере сгорания.
В способах анализа и соответствующих приборах упомянутого вида часто бывает полезно получить показательные результаты не только первичных (например, взятых на входе в установку для очистки сточных вод), но и разбавленных проб. Их обычно получают и хранят путем смешивания небольшого количества первичного раствора пробы с дистиллированной водой в периферийном смесителе измерительного устройства.
Изобретение имеет своей целью создание усовершенствованного анализатора проб и прогрессивного способа упомянутого вида, при котором, в частности, облегчена обработка разбавленных проб и, как следствие, уменьшены издержки по обслуживанию и производственные затраты.
В аспекте устройства эта цель достигается с помощью анализатора проб, имеющего признаки согласно п. 1 формулы изобретения, и в аспекте способа, имеющего признаки согласно п. 6 формулы изобретения. Практичные дальнейшие разработки изобретательского замысла являются предметом соответствующих пунктов формулы изобретения.
Изобретение включает в себя идею о том, как можно внедрить предоставление разбавленных проб непосредственно в процесс анализа и объединить соответствующие технические приспособления в самом анализаторе проб. Оно также включает в себя идею создания или приготовления разбавленного раствора пробы, забор разбавленной пробы в дополнительную емкость анализатора и ее хранение в нем; при этом разбавленный раствор пробы может хранится в течение необходимого промежутка времени.
Кроме того, изобретение включает в себя идею использования существующего инжекторного приспособления для приготовления разбавленного раствора пробы, с помощью которого пробы первичного раствора перемещаются в реактор. Согласно этому замыслу автора изобретения упомянутое инжекторное приспособление имеет дополнительную функцию, благодаря которой для получения разбавленного раствора не нужно вводить отдельные средства для подачи отмеренного количества первичного раствора пробы в емкость.
Наконец, аспектами устройства предусмотрены по меньшей мере первая и вторая емкости для хранения раствора пробы, при этом вторая емкость для хранения раствора пробы предназначена для приготовления и хранения разбавленного раствора пробы, а инжекторное приспособление - для введения раствора пробы (первичного) из первой емкости для хранения раствора пробы выборочно во вторую емкость для хранения раствора пробы для приготовления разбавленного раствора пробы. Изобретение обеспечивает краткий, четко структурированный и легко управляемый процесс анализа, с помощью которого анализируются разбавленные пробы. Разумеется, что такое расположение дает преимущества по размещению и стоимости в сравнении с ранее известными системами, состоящими из анализатора и периферийных устройств. Аналогичным образом, предложенный способ является более выгодным.
В одном из вариантов изобретения вторая емкость для хранения раствора пробы соединена с управляемым подключением к водопроводу для подачи дистиллированной воды для разбавления раствора. Как правило, дистиллированную воду можно вводить во вторую емкость для хранения раствора вручную, например, с помощью пипетки, небольшого кувшина для воды или подобного устройства; однако для рутинной аналитической работы такие средства являются недостаточными по причине низкой вместимости и трудоемкой обработки.
В соответствии с еще одним вариантом вторая емкость для хранения раствора пробы имеет внутреннюю емкость для приготовления и хранения разбавленного раствора, на стенке которой предусмотрены, по меньшей мере частично, области переполнения для слива излишков разбавленного раствора. В этом варианте можно использовать общий объем внутренней емкости в качестве эталонного объема дистиллированной воды для приготовления разбавленного раствора; в то же время наличие области переполнения позволяет осуществлять несложную промывку второй емкости для хранения в промежутках между разными рабочими процессами с различными растворами.
В следующем варианте изобретения во второй емкости для хранения раствора пробы, в частности во внутренней емкости, предусмотрена мешалка для перемешивания разбавленного раствора. За счет этого в течение короткого промежутка времени после заполнения второй емкости для хранения водой и определенным количеством первичного раствора пробы можно получить полностью смешанный разбавленный раствор и поддерживать его в однородном состоянии даже в течение более продолжительного рабочего этапа и во время остановок в работе. В специальном предпочтительном варианте мешалка выполнена в виде магнитной мешалки с бесконтактным приводом.
В другом варианте вторая емкость для хранения раствора пробы, в частности внутренняя емкость, снабжена трубкой, выступающей над верхней лицевой поверхностью, и предназначена для подачи дистиллированной воды. Трубка, в частности, подключена к водопроводу, упомянутому выше, или является его реализацией вместе с регулируемым клапаном, насосом или подобным устройством.
В следующем варианте на верхней лицевой поверхности первой и второй емкостей для хранения раствора, закрытых завинчивающейся крышкой, предусмотрен порт для введения иглы инжекторного приспособления. Верхняя лицевая поверхность емкостей для хранения может оставаться полностью открытой при неблагоприятном режиме эксплуатации при анализе, но для защиты содержимого от загрязнений из атмосферы предусмотрена крышка. Подобную функцию в принципе может выполнять и перегородка, которую прокалывает инжекционная игла, но при нормальной эксплуатации перегородка не особенно подходит для выполнения большого количества рабочих операций - для этого лучше приспособлена заслонка с предварительно изготовленным отверстием (одновременно с тем направляющим) для иглы инжекторного приспособления. В другом варианте изобретения предусмотрено, что трубка, связанная со второй емкостью для хранения раствора, проходит через завинчивающуюся крышку и удерживается в ней.
В еще одном варианте изобретения инжекторное приспособление для приема различных заданных количеств проб из первой емкости для хранения раствора управляет приготовлением разбавленных растворов с разной концентрацией. Это модификация инжекторного приспособления похожа на анализаторы, поскольку в них обычно выбирают только одну пробу для всего объема пробы из емкости для хранения раствора и вводят ее в реактор.
В практически схожих вариантах предлагаемый анализатор сконструирован как анализатор воды или сточных вод для определения общего содержания углерода (ТС), общего содержания неорганического углерода (TIC), общего потребления кислорода (ОПК) или аналогичных параметров. В принципе, применение изобретения не ограничивается устройствами для определения этих параметров и не ограничивается анализаторами воды и сточных вод, а распространяется также на другие анализаторы жидких проб, где требуется или желательно разбавление проб.
С технологической точки зрения изобретение отличается тем, что из первичного раствора получают разбавленный вторичный раствор, который хранится внутри и выборочно подается в реактор.
В следующем варианте реализации способа разбавленный раствор пробы (вторичный) производится путем смешивания определенного количества первичного раствора с определенным объемом дистиллированной воды. В частности, смешивание проводится в отдельной емкости для хранения проб таким образом, что ее через подводящий трубопровод заполняют дистиллированной водой до определенного уровня или до переливной линии на внутренней емкости, а затем впрыскивают отмеренное количество первичного раствора. Тем не менее следует понимать, что данный вариант реализации способа не ограничивается только этой методикой.
В одном из следующих вариантов разбавленный раствор перемешивают по меньшей мере периодически, а в частном случае - постоянно. Преимущества этого варианта изобретения уже упомянуты выше в аспектах устройства.
В частности, преимущества и целесообразность изобретения вытекают из последующего описания примера выполнения изобретения в виде рисунков, на которых представлено нижеследующее.
На фиг. 1 показаны синоптическое схематическое изображение варианта выполнения анализатора проб в соответствии с настоящим изобретением и способ анализа в виде технологической схемы.
На фиг. 2 в качестве варианта выполнения изобретения показана в перспективе емкость для хранения раствора для забора разбавленного раствора.
На фиг. 1 схематически показаны основные компоненты анализатора проб, приведенного в качестве примера, для предлагаемого изобретения и изображены существенные аспекты способа в соответствии с настоящим изобретением. Устройства этого типа - без частей, участвующих в разведении, хранении и использовании разбавленных проб, и соответствующих этапов процесса - известны специалисту в данной области и были описаны в другом документе, например в немецкой заявке на патент 10 2014 118 138.7 заявителя (неопубликованная работа). Далее будут описаны компоненты и этапы, связанные с изобретением.
Центральными компонентами анализатора проб являются реактор ЕВ и инжекторное приспособление ММ с расположенной между различными емкостями устройства и реактором ЕВ инжекционной иглой GS, приводимой в движение приводом. На входной стороне реактора ЕВ предусмотрен ряд компонентов, которые служат для обеспечения надлежащего давления и управляемого потока газа-носителя, предназначенного для удаления из реактора разложенных в нем проб. В частности, речь идет о редукторе давления КН1, манометре ВР1, регуляторе расхода КН2, расходомере BF1 и датчике давления ВР2. Следом за этим на входной стороне реактора ЕВ предусмотрен обратный клапан RM, который служит для предотвращения гидравлического удара газа-носителя в результате внезапного увеличения давления при введении пробы в реактор.
На выходе из реактора ЕВ находятся газовый охладитель ЕС и различные фильтры - в данном случае кварцевый фильтр HQ1, кислотный фильтр HS1, датчик влажности ВМ и трехходовой клапан Y1. Он перемещает охлажденную и отфильтрованную смесь из газа-носителя и разложенной пробы к другим компонентам устройства - в данном случае к газовому фильтру HQ2, ИК-детектору В1 для обнаружения CO2 и расходомеру BF2. Газовый охладитель представляет собой конденсатный насос GP1 для удаления конденсата, при этом вход насоса оборудован портом для общего неорганического углерода (см. далее).
Анализатор проб дополнительно включает в себя множество емкостей для хранения внутри устройства жидкостей, необходимых для процесса. Здесь идет речь о первой емкости для хранения раствора пробы СМ1 (он также обозначен здесь как емкость для хранения образцов) с впускным отверстием, к которому присоединен питающий насос GP2 для перемещения раствора пробы, емкость для хранения промывочного раствора СМ7 (также называемая здесь как «промывочная емкость») и емкость для хранения калибровочного раствора СМ8; в соответствии с настоящим изобретением предусмотрена также вторая емкость для хранения раствора пробы СМ6 (также называемая емкостью для разведения), оснащенная впускным отверстием, к которому присоединен питательный насос GP7 для подачи дистиллированной воды для приготовления разбавленного раствора пробы, который здесь готовится и хранится.
Примерная процедура подготовки разбавленного раствора с представлением структуры устройства показана на фиг. 1.
- Подающий насос GP2, присоединенный к первой емкости для хранения раствора СМ1, заполняет первую емкость для хранения раствора пробы первичным раствором (взятым, например, на входе в установку для очистки сточных вод). По достижении заданного уровня или при переполнении питающий насос GP2 останавливается.
- Подающий насос GP7, присоединенный ко второй емкости для хранения раствора СМ6, заполняет эту емкость (или, более конкретно, ее внутреннюю емкость; ниже приведен пример с описанием второй емкости для хранения раствора) дистиллированной водой. После достижения определенного уровня или обнаружения перелива из указанной внутренней емкости подающий насос GP7 останавливается.
- Инжекторное приспособление ММ управляется и/или приводится в движение таким образом, что инжекторная игла GS перемещается в первую емкость для хранения раствора СМ1 (емкость для хранения образцов), опускается в нее и извлекает заданный объем первичного раствора пробы.
- Затем инжекторное приспособление ММ управляется и/или приводится в движение так, что игла GS перемещается во вторую емкость для хранения раствора СМ6 (емкость для разбавления раствора), где эта игла опускается во внутреннюю емкость и впрыскивает весь объем пробы, взятой ниже уровня воды из емкости СМ1, в дистиллированную воду, находящуюся там (в качестве примера - ниже на 60%).
- Затем инжекторное приспособление ММ приводится в действие таким образом, что игла GS перемещается в промывочную емкость СМ7 и промывается там.
- В емкости для разбавления проб CMS впрыскиваемую туда пробу и дистиллированную воду, введенную туда заранее, смешивают до однородного состояния с помощью мешалки. Для последующих этапов необходимо выждать определенный промежуток времени для получения однородного раствора.
Последующее измерение содержания общего углерода (ТС), общего азота (ТН) или химического потребления кислорода (ХПК) пробы воды или сточных вод включает в себя следующие этапы:
- инжекторную иглу GS перемещают в емкость СМ6 для разведения пробы и производят забор заданного объема пробы;
- затем инжекторная игла GS перемещается в реактор ЕВ и переносит пробу, взятую из емкости для разбавления;
- в конце инжекторная игла GS перемещается в промывочную емкость СМ7 и промывается там;
- продукт реакции, полученный после термической реакции (сжигания) в реакторе ЕВ, перемещается с помощью газа-носителя, подаваемого через газовый охладитель ЕС и различные фильтры, к различным детекторам;
- в соответствии с исходными параметрами детекторы определяют характеристики, которые преобразуются специальным программным обеспечением в аналитические параметры пробы.
При измерении содержания общего неорганического углерода (TIC), в ходе которого неорганический углерод в пробе переносится в газ-носитель кислотой через порт для общего неорганического углерода, примерная процедура заключается в следующем:
- инжекторную иглу GS перемещают в емкость СМ6 для разведения пробы и производят забор заданного объема пробы;
- затем инжекторная игла GS перемещается к порту общего неорганического углерода и вводит пробу, взятую из емкости для разбавления пробы СМ6, в специальный раствор, так называемый «десорбер». По причине кислотного воздействия фосфорной кислоты, содержащейся в десорбере, связанный С02 выделяется и перемещается вместе с газом-носителем в детектор CO2 В1;
- затем инжекторное приспособление ММ приводится в действие таким образом, что игла GS перемещается в промывочную емкость СМ7 и промывается там.
Для определения содержания общего органического углерода (ТОС) в пробе, программное обеспечение берет разность содержания общего углерода ТС и неорганического углерода TIC, определяемых в соответствии с вышеизложенным.
На фиг. 2 представлен вид в аксонометрии для варианта исполнения второй емкости, предназначенной для хранения раствора (емкости для разбавления раствора пробы) и обозначенной на фиг. 1 как «СМ6» и цифрой 1 на фиг. 2. Основными компонентами емкости для разбавления раствора пробы (1) являются цилиндрический стеклянный корпус (3) (наружная емкость), пластмассовая завинчивающаяся крышка (5) и привод мешалки (7).
Во внешней емкости (3), которая согласована по своей геометрии с другим емкостями для хранения, упомянутыми выше, внутренняя емкость (9) с гораздо меньшим диаметром и меньшей высотой закреплена по центру стеклянными дистанционными упорами (11). Рядом с основанием внутренней емкости (9) горизонтально расположен небольшой перемешивающий стержень (13), который выполнен из магнитного материала и может перемещаться с помощью привода мешалки (7), вращаясь в горизонтальной плоскости. Рядом с основанием емкости для разбавления (3) есть сливное отверстие (15).
Завинчивающаяся крышка (5) удерживает круглую дискообразную заглушку (17) емкости для разбавления пробы (3), в которой (не обозначено отдельно) предусмотрено отверстие для трубки (17) для подачи дистиллированной воды во внутреннюю емкость (9), а также инжекторное отверстие (21) для иглы GS (фиг. 1) для введения пробы в емкость для разбавления.
Как уже упоминалось выше, разбавленный раствор пробы готовят в емкости для разведения раствора (1), когда внутренняя емкость (9) заполняется через трубку (19) дистиллированной водой до полного наполнения и переполнения над верхним краем в кольцевом промежутке внешней емкости (3) и подается через сливное отверстие (15). Затем подачу дистиллированной воды останавливают, а на следующем этапе инжекторную иглу GS перемещают в емкость для разведения пробы (1) и вводят в инжекторный порт (21) таким образом, что ее конец проходит глубоко во внутреннюю емкость (9). В этом состоянии запускается поршень шприца, и объем пробы, взятый заранее в емкости для хранения, вводится во внутреннюю емкость. Таким образом происходит подготовка разбавленного раствора пробы с заданной степенью разбавления. При этом отмеренный объем пробы перетекает в дистиллированную воду и, в свою очередь, вытекает через сливное отверстие (15) из внешней емкости (3). Между различными сериями измерений с разным разбавлением пробы внутреннюю емкость промывают в каждом случае дистиллированной водой, подаваемой через трубку (19).
Помимо этого, возможно множество вариантов осуществления изобретения, примеры которых приведены здесь, с аспектами изобретения, указанными выше.