Поверхностно-колористический метод определения аналита в воздухе с помощью индикаторной трубки
SURFACE-COLORISTIC METHOD OF DETERMINING AN ANALYTE IN AIR USING AN INDICATOR TUBE

Настоящее изобретение относится к области аналитической химии, к разделу по способу анализа газовых сред с использованием минивоздухозаборного устройства, конкретно, к способу пропускания заданных количеств анализируемых воздушных проб через индикаторную трубку (ИТ), содержащую наполнитель с химическим индикатором, с последующим определением аналита в воздухе по градуировочному графику и может быть использовано для экологического контроля воздуха рабочих зон производственных процессов, а также окружающей среды.
При анализе научно-технической и патентной информации были выявлены аналоги.
Известен линейно-колористический метод определения содержания аналита в воздухе с помощью ИТ по линейному градуировочному графику зависимости концентрации аналита от длины окрашенной индикаторной зоны (ИЗ) в ИТ, с воздухозаборным поршневым насосом для прокачивания анализируемого воздуха через ИТ при определенном заданном времени [Филянская Е.Д., Прибор для количественного определения содержания сероводорода в воздухе. Авт. свид. СССР №86530 А1. 1950. Сl. 42l, 4оа], [Филянская Е.Д., Козляева Т.Н., Ворохобин И.Г. Линейно-колористический метод анализа вредных паров и газов в воздухе промышленных предприятий. М.: Профиздат, 1958]. Разработано значительное количество линейно-колориметрических методов определения различных аналитов в воздухе с помощью ИТ и насосов для прокачивания через них анализируемого воздуха, так называемых газоанализаторов, в которых использован линейно-колористический принцип действия с градуировочным графиком зависимости определяемой концентрации от длины окрашенной части в ИТ [Петрова Н.Г., Муравьев А.Г., Лавриненко А.А., Смолев Б.В. Индикаторные трубки и газоопределители. Санкт-Петербург: Крисмас+, 2005. 188 с.], [Муравьев А.Г., Смолев Б.В., Устрова А.Н. Ручной насос-проотборник. Пат. RU 136888 U1, 2013. G01N], [ЗАО «НПФ «Сервэк». Справочник по индикаторным трубкам. Санкт-Петербург. 2013].
3
2
3
3
Недостатками линейно-колориметрического метода определения аналита являются то, что применяются ИТ для нескольких частичных интервалов определяемых концентраций, составляющих в сумме диапазон определяемых концентраций одного аналита, а также то, что оператор с насосом находится в атмосфере определяемых веществ. Например, индикаторные трубки ЗАО «НПФ«СЕРВЭК»: ТИ-[NН-0.1] для определения аммиака, содержат два линейных графика: 2÷10, 10÷100; TH-[NO-0,1] для определения диоксида азота включает два линейных графика: 0÷50 и 0÷200 мг/м; ИТМ-8М для определения гидразина включает прерывистый график из трех различных по размерам желто-оранжевых эталонов-полосок длиною: 0.2 мм, 1 мм и 4 мм соответственно - для трех концентраций: 0.1, 1 и 4 мг/м, что не обеспечивает определенную оценку других промежуточных концентраций: тест-реакции и ограничивает оперативность и точность анализа. [Трубки индикаторные. ЗАО «НПФ»СЕРВЭК» Санкт-Петербург, www.servek.spb.ru].
Недостатки линейно-колориметрического метода также отмечены в государственном документе. ГОСТ Р 51712-2001 «Трубки индикаторные. Общие технические требования» регламентирует требования к вышеуказанным методам и определяет, что диапазон измерений с помощью ИТ характеризуется следующими интервалами измерений вредных веществ в воздухе: нижний - предел не более 0.5 ПДК, верхний - не менее 5 ПДК для определяемого вещества. При этом интервал измеряемых концентраций может быть разбит на несколько подинтервалов за счет изменения объема пропускаемого через ИТ воздуха. Объемный расход прокачиваемого воздуха определяется по пределам допускаемого времени пропускания номинального объема пробы. При таком режиме применения ИТ наблюдается типичная ошибка. При измерениях в неисследованных производственных условиях возникает неопределенность результата первого захода, при котором приходится проводить предварительную оценку возможности применения методики анализа по выбранному подинтервалу определяемых концентраций и соответственному к нему графику.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является метод измерений концентраций вредных веществ в воздухе с помощью ИТ и автоматического насоса  X-act 5000 Т фирмы . Насос снабжен программой с помощью которой задается определенное количество качков насоса и время, необходимое для каждого качка при проведении анализа, с выводом результата на дисплей. Ограничением данного линейно-колористического метода определения аналита с подсчетом числа качков насоса является разбивка для ряда аналитов диапазона концентраций на несколько подинтервалов и соответственно для нескольких линейно-колористических градуировочных графиков. Например, у диапазона концентраций по определению гидразина - четыре подинтервала; аммиака - четыре подинтервала, диоксида азота - четыре подинтервала концентраций. [Справочник по индикаторным трубкам и CMS чипам компании . Анализ почвы, воды и воздуха, а также технических газов. 17-е издание. Москва. Перевод  Safety AG & Co. KGaA Любек, 2015. 466 с].
Известный способ не позволяет достигнуть простоты, оперативности и экономии времени на анализ, так как необходимо провести предварительный анализ по выбору подинтервала определяемых концентраций, а в выбранном подинтервале использовать заранее заданное время анализа, которое может быть излишним. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - упростить метод анализа воздушной среды с помощью ИТ при определении концентрации аналита, сделать его более быстрым, оперативным, удобным, безопасным и определенным с первого захода, т.е. без предварительного подбора и расчета времени и количества качков насоса, а также при исключении нахождения аналитика в анализируемой воздушной зоне.
Технический результат изобретения - поверхностно-колористического метода определения аналита в воздухе с помощью ИТ, заключается в том, что время пропускания воздуха через ИТ с помощью аспиратора затрачивают в зависимости от скорости изменения возникающей длины окрашенной ИЗ в ИТ, зависимой в свою очередь от концентрации аналита: чем концентрация больше, тем быстрее идет окрашивание ИЗ, тем меньшее время необходимо для прокачивания анализируемого воздуха через ИТ, что обеспечивает оперативность, быстроту и простоту метода анализа, а также исключает подбор ИТ с заданным временем анализа и числом качков с помощью пробного эксперимента.
Указанный технический результат достигается тем, что поверхностно-колористический метод определения аналита в воздухе с помощью индикаторной трубки, заключающийся в пропускании дозы анализируемого воздуха через индикаторную трубку с помощью аспиратора и определении содержания аналита по градуировочному графику зависимости концентрации аналита от длины окрашенной зоны индикаторной трубки, согласно изобретению, концентрацию аналита определяют по поверхностному трехмерному градуировочному графику зависимости концентрации аналита от длины окрашенной индикаторной зоны индикаторной трубки и времени прокачивания воздуха через индикаторную трубку, которое фиксируют переключателем аспиратора.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами 1-4.
Фиг. 1. Поверхностно-колористичесий трехмерный (3М) градуировочный график зависимости концентрации 1,1-диметилгидразина (ДМГ) в воздухе от длины окрашенной ИЗ в индикаторной трубке ИТ-ТГМС и от времени пропускания воздуха через эту ИТ.
Фиг. 2. Тот же, что на фиг. 1, 3М график для определения 1,1-диметилгидразина (ДМГ), отличающийся тем, что зона поверхности с основными и промежуточными линиями сетки по трем осям - прозрачна.
3
Фиг. 3. Поверхностно-колористичесий 3М градуировочный график зависимости концентрации аммиака от длины окрашенной ИЗ в индикаторной трубке ТИ-[NН-0,1]» и от времени пропускания воздуха через эту ИТ.
2
Фиг. 4. Поверхностно-колористичесий 3М градуировочный график зависимости концентрации диоксида азота от длины окрашенной ИЗ в индикаторной трубке ТИ-[NO-0,1] и от времени пропускания воздуха через эту ИТ
Ниже приведены примеры осуществления заявленного способа, поясняющие преимущества изобретения.
Пример 1. Определение 1,1-диметилгидразина (ДМГ) поверхностно-колористическим методом с помощью ИТ.
Для анализа используют индикаторную трубку ИТ-ТГМС [Островская В.М., Прокопенко О.А., Щепилов Д.О. Булатицкий К.К., Сергеев СМ. Индикаторная трубка для определения 1,1-диметилгидразина в воздухе. Пат.2677329 С1 2019. Бюл. №2] и аспиратор, состоящий из микронасоса "NMP 0.1 5 М", весом 65 г., соединенного с электродвигателем DC 5V с переключателем («LBM» group Германия, Группа компаний «ЛБМ», Россия. www.lbmvac.ru). ИТ вставляют во входной штуцер микронасоса, аспиратор с ИТ помещают в зону анализируемого воздуха, включают и фиксируют время начала работы (время работы варьируют в диапазоне от 1 до 30 мин, в зависимости от скорости появления окрашенной ИЗ в ИТ). После появления четко различимой окрашенной ИЗ в ИТ выключают аспиратор, измеряют длину в мм окрашенной ИЗ с помощью масштабной линейки и фиксируют время работы микронасоса в минутах по секундомеру. Определение концентрации ДМГ проводят по 3М градуировочному графику (фиг. 1) двумя методами: по легенде (отражающей области определяемых концентраций) и по уравнению регрессии 2-й степени 3М графика. Определение ДМГ проведено на двух реальных объектах.
3
3
3
1) Прием "введено-найдено" с применением Пакета Тэдлера (Restek Corporation, USA, пакет полипропиленовый объемом 10 л, с мембраной для ввода пробы, со штуцерами для присоединения ИТ и насосов для ввода или откачки воздуха. По мере откачивания через ИТ воздушной смеси объем пакета уменьшается, при этом концентрация аналита остается постоянной). В этот пакет введена микропроба ДМГ с последующей накачкой воздуха до концентрации 0.05 мг/10 л (5 мг/м). При пропускании через ИТ-ТГМС полученной воздушной смеси из пакета Тэдлера до длины окрашенной ИЗ 6 мм, затрачено время на прокачивание - 6 мин, при объеме прокаченной пробы 2 л. Концентрация по легенде 3М графика (фиг. 1) определена визуально - 5 мг/м, вычислено по уравнению 3М графика 5.19 мг/м ДМГ. Погрешность определения не более 10%. При определении ДМГ линейно-колористическим методом с той же ИТ-ТГМС [Пат. 2677329 С1 2019] время на определение ДМГ затрачено в 5 раз больше.
3
3
3
3
2) Определение ДМГ в камере под вытяжным шкафом лаборатории горючего при работе с пробами ДМГ. Прокачивали через ИТ-ТГМС воздушную смесь в течение 30 мин, до длины окрашенной ИЗ 2 мм, концентрация по легенде 3М графика (фиг. 1) попала в область 0-1 мг/м, определено визуально по 3М графику - 0.5 мг/м, вычислено по уравнению 3М графика 0.41 мг/м. Результат анализа с помощью штатной ИТ ИТМ-8М - 0.4 мг/м.
Пример 2. Определение 1,1-диметилгидразина, что в примере 1, но с использованием 3М графика с прозрачной поверхностностью.
х
у
х
у
z
х
у
z
х
у
3
Определение проводят после проведения анализа в примере 1 по 3М графику, но с прозрачной поверхностностью (фиг. 2), с видимыми линиями всей сетки трех осей. На графике показано определение концентрации ДМГ в пакете Тэдлера, из примера 1, при времени анализа =6 мин и длине окрашенной ИЗ ИТ =6 мм, более толстыми линиями показаны направления и ходы по осям сетки от исходных значений  и  к значению  двумя приемами. 1) На горизонтальной плоской основе графика определяют точку пересечения горизонтальных осей  и , от этой точки поднимают вверх вектор до пересечения с поверхностью графика, длина вектора равна  - концентрации ДМГ 5 мг/м. 2) От значений  и  ведут линии по сетке вверх до поверхности графика, а затем продолжают их вести по этой поверхности до их пересечения в точке, которая совпадает с точкой пересечения в случае приема 1.
Сравнение всех приемов определения ДМГ, приведенных в примерах 1 и 2, показывает, что наиболее быстрый, наглядный и простой прием определения ДМГ по легенде 3М графика.
Пример 3. Определение аммиака поверхностно-колориметрическим методом с помощью индикаторной трубки.
3
3
3
3
Для анализа используют индикаторную трубку ТИ-[NН-0,1] ЗАО «НПФ «Сервэк» (с двумя градуировочными линиями: 2-10 и 10-100 мг/м, соответственно для объемов прокачивания 700 и 100 см) и аспиратор, с микронасосом "NMP 0 15 1.2" весом 60 г и электродвигателем DC 5V с переключателем («LBM» group, Группа компаний «ЛБМ», Россия. www.lbmvac.ru). Методика определения концентрации аммиака по 3М градуировочному графику для аммиака (фиг. 3). Известно, что при длительном хранении и использовании ДМГ сорбируется на поверхностях рабочей зоны и постепенно разлагается с выделением аммиака [Г.К. Хамракулов, О.Т. Кондратьев. Предупреждение возникновения взрывоопасных концентраций иммобилизованными сорбентами // Разделение и концентрирование в аналитической химии: Материалы международного симпозиума. Краснодар. 2002, с. 119-120]. Была исследована камера, где ранее хранился ДМГ. В воздухе камеры ДМГ не был обнаружен. ИТ на аммиак, соединенная через силиконовый шланг со штуцером микронасоса, была введена в камеру. При прокачивании воздуха камеры через ИТ в течении 2 мин длина окрашенной ИЗ 2 мм, по 3М графику показатель концентрация аммиака ниже 5 мг/м (0.25 ПДК).
3
Аммиак был определен также в рабочей зоне после дегазации кислотных отходов. При прокачивании воздуха в течение 2 мин длина окрашенной ИЗ была 29 мм; по 3М графику определено аммиака в воздухе 20 мг/м.(1 ПДК).
3
Предложенный метод определения аммиака проще и удобней по сравнению с ранее применяемым методом ЗАО «НПФ «Сервэк», при котором индикаторная трубка ТИ-[NН -0,1] используется для определения аммиака по двум линейно-колористическим графикам.
Пример 4. Определение диоксида азота поверхностно-колориметрическим методом с помощью индикаторной трубки.
2
3
3
Для анализа используют индикаторную трубку ТИ-[NO-0,1] ЗАО «НПФ «Сервэк» (на которой изображены две градуировочные линии: 0-50 и 0-200 мг/м диоксида азота) и аспиратор, состоящий из микронасоса "NMP 0 15 1.2", соединенного с электродвигателем DC 5V с переключателем. ИТ соединяют с входным штуцером микронасоса через силиконовый шланг, вводят в зону камеры при работе с дымящим азотсодержащим препаратом. Проведено определение концентрации диоксида азота в камере. При пропускании воздушной смеси в течение 1 мин получена длина ИЗ ИТ 25 мм, по легенде 3М градуировочного графика (фиг. 4), это соответствовало концентрации диоксида азота 35 мг/м. По сравнению с методикой ЗАО «НПФ «Сервэк» данная методика проще, удобней и безопасней.
Таким образом, разработан поверхностно-колористический метод определения аналита в воздухе с помощью ИТ по поверхностному трехмерному градуировочному графику. При этом возможно проводить анализ аналита в воздухе, не задавая интервал времени анализа, (соответствующее объему просасываемого через ИТ воздуха), с тем интервалом времени прокачивания, которое определяется в процессе окрашивания ИЗ в ИТ, при этом возможно выключать аспиратор вручную или автоматически при предварительном задании времени и фиксировать то время его работы, которое необходимо для появления удобно определяемой окраски ИТ. Это упрощает ход анализа, исключает предварительный подбор двухмерного линейно-колористического графика из ряда графиков для разных подинтервалов диапазона концентраций при пробных анализах, уменьшает контакт оператора с объектом анализа, исключает необходимость предварительного анализа воздушной среды, что делает этот способ простым в эксплуатации, более оперативным и полезным для анализа воздушных сред. Экономический эффект может быть по двум параметрам: сокращение времени анализа или вместо двух линейных градуировочных графиков использование одного поверхностно-трехмерного графика.