Устройство для анализа элементоорганических материалов
Использование: область аналитической химии, в частности к устройствам для проведения атомно-абсорбционного анализа элементного состава элементоорганических веществ. Задача: разработка устройства для анализа сложных смесей элементоорганических соединений, обеспечивающего достоверное количественное определение металлов и неметаллов в указанных смесях, снижение потерь целевых компонентов в анализируемой пробе при проведении реакционного взаимодействия пробы с реагентами с интенсивным тепловыделением в реакторе и минимизация продолжительности анализа. Новый технический результат: повышение воспроизводимости и точности определения состава проб за счет обеспечения полноты извлечения продуктов реакционного взаимодействия анализируемой пробы с реагентами, обеспечение возможности исследования сложных смесей элементоорганических соединений и определения металлов и неметаллов в них, а также возможности подачи в реактор последовательно газовой среды на этапе реакционного взаимодействия, а водной среды в момент завершения реакции окисления с минимальными потерями определяемых компонентов и времени. Сущность полезной модели: устройство для анализа элементоорганических материалов, включает реактор, емкость с анализируемой пробой, держатель емкости, средство для воспламенения анализируемой пробы, систему для подачи газовой и жидкой сред снабженную клапанами подключения к источникам сред и ввода сред в реактор, емкость для анализируемой пробы. В предлагаемом устройстве реактор выполнен разъемным, с навинчивающейся крышкой, в которой выполнены два сквозных отверстия для впуска-выпуска газообразного кислорода, снабженной уплотнительными элементами, магистраль системы для последовательной подачи кислорода в качестве газовой среды в реактор в течение времени реакционного взаимодействия и жидкой среды, преимущественно воды, в момент завершения реакционного взаимодействия через единый канал, снабжена вентильной системой с клапаном игольчатого типа, выполненным в виде запорной иглы с возможностью регулирования проходного сечения иглы для подачи водной среды в реактор самотеком. 2 пр., 1 табл., 2 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к области аналитической химии, в частности к устройствам для проведения атомно-абсорбционного анализа элементоорганических веществ на элементный состав.
Известно устройство для проведения анализа элементоорганических соединений, содержащее реактор (бомбу), средство для воспламенения пробы от искры с последующим сжиганием пробы в атмосфере кислорода в среде пероксида натрия, вентильную систему клапанного типа для подачи кислорода («Определение алюминия в элементоорганических соединениях, содержащих кремний и фосфор», ЖАХ, 21, 123б, публ. 1966 г.). В известном устройстве предусмотрены отверстия для ввода кислорода и выхода избытка кислорода, при этом подача воды не предусмотрена из-за конструкционных особенностей вентильной системы клапанного типа.
Известно в качестве прототипа устройство для проведения анализа органических материалов на содержание неметаллов, содержащее реактор, средство для воспламенения пробы, вентильную систему клапанного типа для подачи газообразной среды в реактор (М.М.Попов, «Термометрия и калориметрия ОНТИ», Госхимтехиздат, 1934 г., с.362-369). Вентильная система клапанного типа из-за конструкционных особенностей не обеспечивает подачу воды через отверстие в системе подачи газообразной среды. Воду подают на дно реактора вручную предварительно, до проведения эксперимента.
Недостатком аналога и прототипа является отсутствие возможности своевременной и последовательной подачи воды (которая необходима для обеспечения полноты извлечения продуктов реакционного взаимодействия анализируемой пробы с пероксидными реагентами) через вентильную систему клапанного типа для ввода сред. Кроме того, в прототипе не предусмотрена возможность анализа элементоорганических материалов на содержание металлов и неметаллов из-за отсутствия реагента для минерализации анализируемой пробы.
Задачей авторов полезной модели является разработка устройства для анализа сложных композиций в виде смесей элементоорганических соединений, обеспечивающего достоверное количественное атомно-абсорбционное определение металлов и неметаллов в указанных смесях, снижение потерь целевых компонентов в анализируемой пробе при проведении реакционного взаимодействия пробы с реагентами, сопровождающегося интенсивным тепловыделением в реакторе, и минимизация продолжительности анализа.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в повышении воспроизводимости и точности определения элементного состава анализируемых проб за счет обеспечения полноты извлечения продуктов реакционного взаимодействия анализируемой пробы с пероксидными реагентами, в обеспечении возможности исследования сложных композиций в виде смесей элементоорганических соединений и определения металлов и неметаллов в них, а также возможности подачи в реактор последовательно газовой среды на этапе реакционного взаимодействия, а водной среды - в момент завершения реакции окисления с минимальными потерями определяемых компонентов и времени.
Указанные задача и новый технический результат, обеспечивается тем, что в известном устройстве для анализа элементоорганических материалов, включающем реактор, емкость с анализируемой пробой, держатель емкости, средство для воспламенения анализируемой пробы, систему для подачи газовой и водной сред, снабженную клапанами подключения к источникам сред и ввода сред в реактор, емкость для анализируемой пробы, согласно предлагаемому устройству, реактор выполнен разъемным, состоящим из корпуса с навинчивающейся крышкой, снабженной уплотнительными элементами, в которой выполнены два сквозных отверстия для впуска-выпуска газообразного кислорода в качестве газовой среды, магистраль системы для последовательной подачи через единый канал в реактор и кислорода в течение времени реакционного взаимодействия и жидкой среды, преимущественно воды, в момент завершения реакционного взаимодействия, снабжена вентильной системой с клапаном игольчатого типа, выполненным в виде запорной иглы с возможностью регулирования проходного сечения иглы для подачи водной среды в реактор самотеком.
Предлагаемое устройство поясняется следующим образом.
На фиг.1 изображена предлагаемая конструкция, где 1 - стальной корпус реактора с наружной резьбой, 2 - держатель емкости с анализируемой пробой, 3 - стальная крышка с внутренней резьбой и с уплотнительными элементами (5, 6), 4 - накидная гайка, 5 - резиновая прокладка, 6 - металлическое кольцо, 7 - болт, 8 - игольчатый клапан, 9 - гайка, 10 - шайба, 11 - изолятор, 12 - штуцер, 13 прокладка (слюда), 14 - трубка, 15 - спираль, 16 - хлопчатобумажная нить, 17 - образец, 18 - емкость с пробой и реагентом (никелевый тигель), А и Б - отверстия для входа и выхода кислорода, А - отверстие для ввода воды. На фиг.2 - общий вид устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В реактор помещают тигель с навеской анализируемой пробы.
Посредством задействования вентильной системы для подачи газовой и водной сред в реактор через клапан игольчатого типа подают первоначально газообразный кислород. Затем осуществляют поджиг образца анализируемой пробы с использованием хлопчатобумажной нити от нихромовой спирали, нагреваемой электрическим током.
Пероксид натрия энергично разлагается и происходит полное окисление образца.
При разложении проб без введения воды на стадии завершения реакционного взаимодействия наблюдались значительные потери определяемых элементов (Si, Ti, Fe), в связи с этим не было удовлетворительной воспроизводимости результатов количественного анализа. При выявлении причин такого явления установлено, что при вскрытии реактора (бомбы), из него улетучивались продукты реакции в виде пылевидных частиц. Озоление проб ведут методом щелочного спекания ведут до полного разложения органической составляющей элементоорганических соединений и превращения металлов в формы оксидов, гидроксидов и солей в среде пероксида натрия.
Подачу газовой среды на этапе реакционного взаимодействия и водной среды на этапе завершения реакционного взаимодействия ведут через единый канал магистрали последовательным подключением источников или газовой (кислорода) или жидкой (воды) сред соответствующим переключением вентильной системы переключателей с клапаном игольчатого типа, при этом подачу газовой среды в виде газообразного кислорода осуществляют под давлением 
3 атмосферы (0,3 МПа), предварительно вытеснив воздух из объема реактора. Вентильная система с клапаном игольчатого типа позволяет вести подачу воды через отверстие в системе подачи газообразного кислорода, т.е. последовательно через единый канал возможна подача и кислорода, а затем - воды.
Воду в реактор добавляют после завершения процесса минерализации для адсорбции пылеобразных продуктов сжигания пробы, рассеянных во внутреннем объеме реактора. Перед введением воды в реактор стравливают незначительное избыточное давление кислорода с помощью поворота запорной иглы игольчатого клапана на минимум регулировки проходного сечения, при этом кислород выходит, а пылеобразные частицы остаются во объеме на внутренних поверхностях реактора. Затем открывают клапан игольчатого типа на максимум проходного сечения запорной иглы для введения воды в реактор самотеком.
В предлагаемом устройстве обеспечивается возможность количественного определения синтетических каучуков с добавками оксидов металлов, металлосодержащих резин, смол, лаков. Me-органических композиций, в которых присутствуют определяемые элементы: Si, Al, Ti, Sb, Sn, Fe, Ca, Mo, РЗЭ.
Сравнение погрешностей получаемых результатов предлагаемого устройства анализа элементоорганических соединений и прототипа является проблематичным, т.к. контролируются разнородные элементы (в прототипе - неметаллы, в предлагаемом устройстве - и металлы и неметаллы), но обеспечение полноты концентрирования фракции летучих продуктов реакционного взаимодействия и полноты количественного перехода в раствор всех контролируемых элементов после разложения пробы в среде пероксида натрия в токе кислорода в предлагаемом устройстве реализовано в большей степени, чем у прототипа.
Если в предлагаемом устройстве применить подход прототипа, сжигая пробу только в токе кислорода, то не будет достигнуто полноты извлечения некоторых определяемых элементов из-за невозможности переведения образующихся форм элементов в раствор с помощью кислот, что негативно скажется на качестве проводимого анализа и ограничит возможность его использования для исследования материалов.
Таким образом, использование предлагаемого устройства обеспечивает повышение воспроизводимости и точности определения состава проб за счет обеспечения полноты извлечения продуктов реакционного взаимодействия анализируемой пробы с пероксидными реагентами, а также возможность исследования сложных смесей элементоорганических соединений и определения металлов и неметаллов в них, а также возможность подачи в реактор последовательно газовой среды на этапе реакционного взаимодействия, а водной среды (самотеком) в момент завершения реакции окисления.
Возможность промышленной реализации предлагаемого устройства может быть подтверждена следующим примером конкретного выполнения.
Пример 1. В лабораторных условиях было опробовано предлагаемое устройство на опытном образце для проведения анализа элементоорганических соединений. Реактор 1 (фиг.1) состоит из цилиндрического стакана, крышки 3 с кольцевой резиновой и металлической уплотняющими прокладками 5, накидной гайки 4. По центру крышки проходит изолированная трубка 14 (фрагмент магистрали системы подачи сред), в верхней части которой находится впускной (выпускной) игольчатый клапан (8) с трубкой 14, закрепляемый гайкой 9. К нижней части крышки приварен стержень 2, в основании которого вмонтировано опорное кольцо для фиксации емкости 18 с анализируемой пробой 17 и реагентом. Трубка и стержень соединены нихромовой спиралью 15. В крышке имеется отверстие для выхода газов Б, запираемое болтом (7). Все детали устройства собраны с использованием уплотнительных и изолирующих элементов 5, 6, 10, 11, 13.
Навеску пробы 17 анализируемого вещества - резины (массой ~70 мг) в виде кусочка, обвязанного х/б ниткой 16) помещают в тигель, на дно тигля помещали пероксида натрия (~0,5 г). Поверх навески засыпают в качестве реагента ~1.5 мг Na2O2.
Тигель с навеской помещают в кольцо держателя 2. Крышку 3 с уплотнительными элементами 5, 6 реактора вместе с тиглем вставляют в цилиндрический стакан (1) и завинчивают гайку (4). Через клапаны А и Б реактор несколько секунд продувают кислородом, затем перекрывают выходной клапан (Б), создают повышенное давление кислорода в магистрали (~0,3 МПа), закрывают входной клапан (А) и подают электрический ток 5 а, напряжением 5 в. Спираль (15) накаливается, х/б нитка сгорает и поджигает навеску анализируемого вещества. Пероксид натрия энергично разлагается и происходит полное окисление образца. Для лучшей адсорбции продуктов сжигания внутренние стенки реактора смачивают водой, которую наливают через отверстие (А) для ввода-вывода кислорода вентильной системы с клапаном игольчатого типа. Предварительное введение воды в реактор недопустимо, т.к. в ходе реакции высокотемпературного окислительного спекания анализируемого образца используют перекисное соединение, при случайном попадании воды на которое в процессе сжигания образца возможна бурная экзотермическая реакция с разбрызгиванием образующегося продукта и выделением кислорода.
Спустя 10 мин. реактор открывают, тигель помещают в тефлоновый стакан, обмывают крышку, стержень и внутреннюю поверхность бидистиллированной водой и переносят промывные воды в указанный стакан. Нагревают содержимое стакана на плитке до растворения продуктов и разложения избытка пероксида натрия (Na2O2). Полученный раствор содержит контролируемые металлы и неметаллы методом атомно-абсорбционной спектрометрии.
Результаты измерений сведены в таблицу 1.
Как это показали эксперименты, предлагаемое устройство обеспечивает повышение воспроизводимости и точности определения состава проб за счет обеспечения полноты извлечения продуктов реакционного взаимодействия анализируемой пробы с реагентами, а также возможность исследования сложных смесей элементоорганических соединений и определение металлов и неметаллов в них, а также возможность подачи в реактор последовательно газовой среды на этапе реакционного взаимодействия, а водной среды самотеком в момент завершения реакции окисления при минимальной продолжительности анализа.
| Таблица 1 | ||||
| Примеры реализации | Система ввода сред | Среда, реагент | Параметры введения сред | Степень полноты извлечения продуктов из реактора |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Прототип | Вентильная система клапанного типа для подачи кислорода, в которой не предусмотрена подача воды | Перекисное соединение | Подачу кислорода до давления ~3 МПа ведут через отверстие в системе подачи только кислорода, введение воды осуществляют на дно реактора до проведения эксперимента | Погрешность определения органических веществ составляет 0,5% за счет потери летучих продуктов при заданном времени эксперимента. При разложении пробы без введения воды после сжигания пробы наблюдаются потери определяемых элементов. Погрешность определения: |
| Ti - 0,06% | ||||
| Fe - 0,19% | ||||
| Si - 0,08%, | ||||
| Предлагаемое устройство |  | | | Погрешность определения элементоорганических веществ на содержание металлов и неметаллов |
| Ti - 0,03% | ||||
| Fe - 0,07% | ||||
| Si - 0,02%, | ||||
| Пример 1 | Вентильная система клапанов игольчатого типа предусмотрена для подачи и кислорода и воды | Перекись натрия | Подача кислорода до давления ~3 МПа и воды после проведения эксперимента. Подачу воды ведут самотеком через игольчатый клапан | что превышает показатель прототипа при заданном времени эксперимента |
Устройство для анализа элементоорганических материалов, включающее реактор, емкость с анализируемой пробой, держатель емкости, средство для воспламенения анализируемой пробы, систему для подачи газовой и водной сред, снабженную клапанами подключения к источникам сред и ввода сред в реактор, отличающееся тем, что реактор выполнен разъемным, состоящим из корпуса с навинчивающейся крышкой, в которой выполнены два сквозных отверстия для впуска-выпуска газообразного кислорода, снабженной уплотнительными элементами, магистраль системы для последовательной подачи кислорода в качестве газовой среды в реактор в течение времени реакционного взаимодействия и жидкой среды, преимущественно воды, в момент завершения реакционного взаимодействия через единый канал, снабжена вентильной системой с клапаном игольчатого типа, выполненным в виде запорной иглы с возможностью регулирования проходного сечения иглы для подачи водной среды в реактор самотеком.
