Редактирование Газоаналитические приборы для определения следовых количеств веществ (секция)

Материал из Documentation.

== Экспрессная газовая хроматография == {{main|Экспрессная газовая хроматография}} Газовая хроматография является одним из наиболее чувствительных и эффективных методов газового анализа. На её основе в мире создаётся едва ли не более половины аналитических средств качественного и количественного анализа веществ. Метод газовой хроматографии вполне пригоден для решения проблемы экспрессного и мобильного анализа. В частности, газовые хроматографы могут быть использованы для обнаружения взрывчатых веществ, для проведения и массового (с большим числом однотипных анализов) экспрессного количественного анализа и экологического контроля в полевых условиях. Хроматографы такого назначения должны иметь следующие характеристики: эффективность разделительных колонок — 1000-3000 теоретических тарелок (т.т.), разделяющая способность колонок — 7-10 полностью разделённых пиков; время разделения от 10 с до 3 мин. Из применяемых в сочетании с газовыми хроматографами детекторов по параметрам чувствительности и быстродействию для данных целей наиболее подходят детекторы электронно-захватный, фотоионизационный, пламенноионизационный, аргоновый ионизационный, по теплопроводности, молекулярных ядер конденсации, ионный (с разделением ионов по подвижности в продольном электрическом поле) с перестраиваемой селективностью. Портативные приборы должны содержать набор устройств ввода пробы: для шприцевого ввода, с концентратором, петлевой дозатор. В КТИ ГЭП СО РАН разрабатывается ряд технологий, ориентированных на создание малогабаритных анализаторов с высоким быстродействием при сохранении высокого качества анализа, присущего лабораторным определениям. Это скоростное разделение пробы на поликапиллярных газохроматографических колонках, скоростное концентрирование паров веществ на твердых сорбентах, скоростной термодесорбционный ввод пробы в колонку, методы детектирования, вихревой дистанционный метод пробоотбора. Разрабатывается модульно-блочный принцип построения приборов. === Газовые хроматографы серии ЭХО === Ниже рассмотрены скоростные процессы, реализованные в газовых хроматографах серии ЭХО. Скоростное разделение достигается за 10-180 с на поликапиллярных колонках из монолитного стеклянного пучка, содержащего примерно тысячу капилляров диаметром 0,04 мм каждый, длиной до 1 м. На внутреннюю поверхность капилляров нанесена пленка неподвижной жидкой фазы; толщина пленки 0,15-0,2 мкм. В настоящее время разработаны стабильные в работе поликапиллярные колонки с различными неподвижными жидкими фазами: SE-30, SE-54, OV-624, OV-61 и др. Поликапиллярные колонки обладают уникальными характеристиками: * эффективность разделения слабо зависит от расхода газа-носителя в интервале 30.200 см3/мин; * масса анализируемого компонента в газовой пробе может быть относительно большой и составлять 0,5.3 мкг, что достаточно для надежной регистрации разделенных веществ детекторами объемом 0,1.1 см3; * разделение веществ происходит при пониженных температурах за счет малого диаметра капилляров (например, при 150.170 °C для взрывчатых веществ вместо 220 °C в капиллярных колонках), что значительно снижает энергопотребление автономного прибора. Для массового экологического контроля подходят короткие поликапиллярные колонки длиной 22 см с эффективностью разделения 2000-3000 т.т. При расходах газа-носителя 30-60 см3/мин для работы коротких поликапиллярных колонок требуется невысокий перепад давления в пределах 0,35-0,7 атм. Основные параметры поликапиллярных колонок: * Удельная эффективность разделения — 15000 т.т./м * Время разделения — 10-180 с * Газ-носитель — воздух, азот, аргон * Интервал рабочих температур 40-200 °С Для удобства эксплуатации длинные поликапиллярные колонки помещают в кассету (диаметр 150 мм, толщина 30 мм). Экспрессное концентрирование. Проблема концентрирования паров возникает при обнаружении, например взрывчатых веществ, имеющих чрезвычайно низкое давление насыщенного пара. Чтобы получить необходимое для обнаружения количество вещества в пробе, равное пределу обнаружения, вещество нужно извлечь из некоторого объема воздуха, пропуская его через сорбционную ловушку (концентратор). Время, затрачиваемое на эту процедуру, пропорционально объему прокачиваемого воздуха, аэродинамическому сопротивлению ловушки и обратно пропорционально производительности (мощности) используемого для этих целей насоса. Объем прокачиваемого воздуха определяется концентрацией паров анализируемых веществ в воздухе и пределом обнаружения. Мощность насоса в ручном устройстве, используемом при отборе взрывчатых веществ в полевых условиях, ограничена и должна быть не более нескольких ватт. В этом случае реальный путь сокращения времени отбора с применением экономичных портативных устройств состоит в снижении сопротивления сорбционной ловушки. Очевидно, что это ведет к уменьшению полноты улавливания паров. Отметим, что отбор проб при неполном улавливании широко распространен в практике обнаружения веществ. Вместе с тем в теоретическом плане этот процесс изучен слабо. Известные методы аналитического концентрирования ориентированы на полное улавливание паров и не дают необходимой основы для реализации эффективного отбора проб при неполном улавливании. В связи с этим нами были проведены соответствующие исследования и определены условия эффективного экспрессного улавливания паров взрывчатых веществ ловушкой с низким аэродинамическим сопротивлением. В итоге был разработан способ быстрого и полного ввода пробы, позволяющий вводить пробу из концентратора в колонку практически без остатка за доли секунды. В основу разработки этого способа были положены следующие расчеты. Производительность концентратора можно характеризовать потоком вещества Qd, сорбирующегося на стенках его каналов. Скоростной ввод пробы в колонку. Рациональные параметры ввода пробы в хроматографическую колонку . длительность и мощность импульсного подогрева концентратора и длительность дозирования . определяются физико-химическими свойствами анализируемого вещества и прежде всего его летучестью. Вихревой дистанционный способ отбора проб с поверхности обследуемых объектов. Обследуемый объект обдувается закрученной струей воздуха. Создающееся при этом восходящее к входу пробоотборника течение захватывает вещество с обдуваемой поверхности. Между объектом и концентратором пробоотборного устройства возникает вихревой транспортный канал, расширяющийся у поверхности объекта, что позволяет собрать пробу с достаточно большой площади. Для эффективного переноса пробы должно быть оптимизировано отношение потоков воздуха . закручиваемого и отсасываемого из центра (ядра) вихря. Одним из важных параметров вихревого пробоотбора является разрежение, создаваемое на поверхности обследуемого объекта. Экспериментально показано, что с увеличением расстояния h между пробоотборником и объектом разрежение на его поверхности уменьшается примерно в 100 раз медленнее, чем при прямом всасывании вещества с поверхности объекта. Выигрыш по сравнению с прямым всасыванием по удельным затратам мощности на отбор одинакового количества вещества может достигать трех и более порядков величины. Эффективные для обнаружения взрывчатых веществ параметры пробоотборника реализованы в простой ручной конструкции. Пробоотборник имеет диаметр d = 5 см, потребляемую мощность не более 5 Вт, дистанцию эффективного пробоотбора . в пределах h/d от 0 до 5. Рассмотренные скоростные режимы пробоотбора, ввода проб и разделения реализованы в портативных экспрессных газовых хроматографах серии ЭХО для проведения массовых анализов следовых количеств химических веществ. Сравнение характеристик портативных газовых хроматографов ЭХО с зарубежными аналогами — современными портативными газовыми хроматографами американских фирм показало, что отечественный прибор [[ЭХО-EW]] выделяется прежде всего быстродействием, опережая по этому параметру аналоги в десятки раз. Так, аналитический прибор ЭХО-EW по скорости разделения смеси бензола, толуола и ксилола превосходит самый быстродействующий американский прибор [[MSI301M]] примерно в 10 раз, время полного разделения этой смеси на газовом хроматографе ЭХО-EW с фотоионизационным детектором не превышает 30 с. Кроме того, только прибор ЭХО-EW имеет дистанционный вихревой пробоотборник, обеспечивающий эффективное применение прибора для обнаружения взрывчатых веществ. В авг усте 1995 года была проведена серия полевых сравнительных испытаний полевых газовых хроматографов вблизи города Лоуренса (штат Канзас, США). Испытания проводились на открытой местности. Анализу подвергался атмосферный воздух вблизи источника загрязнений летучими хлорорганическими веществами и смесью органических растворителей (бензол, толуол, ксилол). Приборы размещались по направлению ветра от источника выбросов. Испытывались приборы: [[Photovac 10S]], [[Sentex Scentograph]], [[MTI M200]] и [[ЭХО-М]] с аргоновым ионизационным детектором. Испытания показали, что все приборы обеспечивают необходимую точность измерений. Отмечены уникальные свойства поликапиллярной хроматографической колонки в ЭХО-М, обеспечивающей высокое быстродействие и чувствительность определений вследствие сравнительно больших объемов вводимых проб. Прибор ЭХО-М регистрировал нестационарность во времени источников загрязнений за счет более короткого времени предконцентрирования. Сравнение характеристик приборов ЭХО с требованиями международных рекомендаций по отношению к портативным газовым хроматографам для внелабораторного анализа показало, что газовые хроматографы семейства ЭХО по аналитическим, габаритным характеристикам, энергопотреблению отвечают требованиям международных рекомендаций и обладают рядом преимуществ перед известными аналогами (быстродействие, вихревой отбор воздушных проб, кондиционирование колонки и детектора). Конструктивно-технические преимущества и логика построения портативных экспрессных газовых хроматографов серии ЭХО позволяет прогнозировать дальнейшее снижение предела обнаружения, повышение селективности, быстродействия, точности измерений, мобильности и надежности приборов. В серию ЭХО входят следующие хроматографы: * Экспрессный газовый хроматограф [[ЭХО-М]]; * Портативный газовый хроматограф [[ЭХО-EW]]; * Портативный экспрессный газовый хроматограф [[ЭХО-EW-ПИД]]; * Портативный экспрессный газовый хроматограф [[ЭХО-ПФД]]; * Хроматограф [[ЭХО-В]].

---

Описание изменений:

Отменить | Справка по редактированию (в новом окне)