Устройство для определения органического углерода в воде

Устройство для определения органического углерода в воде предназначено для контроля качества питьевой и природной воды, а также степени загрязнения сточных вод. Блок подачи газа-носителя установлен на входе газовой магистрали и содержит пристальтический насос и стабилизатор давления. На газовой магистрали расположены ареометр, патрон с осушителем, патрон с аскаритом, фотохимический блок, в котором установлены две ртутно-кварцевые лампы с размещенной между ними фотохимической ячейкой, на выходе которой установлен обратный холодильник к которому последовательно подсоединены патрон с ангидроном и измерительный блок с размещенным в нем анализатором. В качестве анализатора использован управляемый компьютером дисперсионный ИК-Фурье спектрометр, в рабочей зоне которого установлена газовая кювета сообщающаяся с атмосферой и герметично соединенная с детектором и объективом. К детектору и объективу спектрометра подсоединен блок продувки, включающий микрокомпрессор, патрон с осушителем и патрон с аскаритом, последовательно расположенные на дополнительной газовой магистрали, а интерферометр спектрометра заполнен азотом. Технический результат: расширение диапазона и повышение точности измерений концентрации органического углерода, увеличение срока службы устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к области экологии и аналитической химии, в частности к устройствам для определения органического углерода в объектах окружающей среды и предназначено для контроля качества питьевой и природной воды, а также - оценки степени загрязнения сточных вод.

Известно устройство для определения общего содержания органических веществ в воде, включающее последовательно соединенные трубопроводами блок подачи инертного газа, блок дозированной подачи кислорода в газовый поток, выполненный в виде твердоэлектролитной дозирующей ячейки со стабилизированным источником питания, блок подачи жидкой пробы, камеру ввода и сжигания жидкой пробы с отверстием для ввода жидкой пробы в кювету, расположенную в коаксиальной печи, измерительную твердоэлектролитную ячейку с кислород-ионной проводимостью, установленную в коаксиальной печи, блок регулирования, стабилизации и измерения расхода газовой смеси, электронный блок управления и блок регистрации результатов определения (Патент РФ 2053507, МКП G01N 27/417, опубликован 27.01.1996).

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, обусловленная наличием в печи измерительной твердоэлектролитной ячейки и недостаточная точность анализа.

Известно устройство для определения общего органического углерода в воде, содержащее подающее устройство образца воды, нагревательный сосуд (печь), источник транспортирующего газа, детектор, на выходе из нагревательного сосуда и поточную линию, соединяющую вход нагревательного сосуда с источником транспортирующего газа, к которому присоединено устройство подачи образца воды, при этом в поточную линию транспортирующего газа интегрирован один или несколько газовых баллонов с калибровочным газом различной концентрации (Патент РФ 2347221, МКП G01N 33/18, опубликован 27.01.2008 г.).

Недостатком известного устройства является сложность аппаратного оформления, обусловленная необходимостью использования баллонов с калибровочным газом.

Известно устройство для фотохимического определения неорганического и органического углерода, которое состоит из кюветы с коаксиально расположенным источником излучения (ртутно-кварцевая лампа), иглопрокалываемым вводом для пробы, оканчивающимся направляющим патрубком, который соединен с входом газа-носителя. Кювета соединена через обратный холодильник с измерительной ячейкой и регистрирующим устройством. Направляющий патрубок имеет длину меньше длины иглы шприца-дозатора и установлен с зазором относительно дна кюветы (Авторское свидетельство 1170322, МКИ G01N 21/11, опубликовано 30.07.1985).

Недостатком является высокий фон помех, создаваемый за счет накопления углекислого газа в замкнутом пространстве устройства, что ограничивает чувствительность измерений, ухудшает воспроизводимость результатов. Кроме того, при работе устройства с замкнутым газовым потоком часто происходит разрыв стеклянных деталей, в частности, фотохимической ячейки, что небезопасно и требует массового их изготовления из дорогостоящего оптического кварца.

Наиболее близким по совокупности признаков, принятым за прототип, является устройство для определения органического углерода в воде с непрерывным газовым потоком, проходящим через анализатор. Устройство содержит блок подачи газа-носителя с размещенным в нем микрокомпрессором, установленным на выходе газовой магистрали и расположенные на газовой магистрали ареометр, патрон с аскаритом, стеклянный фильтр для удаления механических частиц, фотохимический блок, в котором установлены две ртутно-кварцевые лампы с размещенной между ними фотохимической ячейкой для пробы воды с сенсибилизатором, в качестве которого использована смесь из равных объемов 1-молярного раствора серной кислоты и 3% раствора хлорида ртути. На выходе фотохимической ячейки установлен обратный холодильник, к которому последовательно присоединены патрон с ангидроном (Mg(ClO₄)₂ ) и измерительный блок. Измерительный блок состоит из последовательно соединенных сигнальными кабелями оптико-акустического анализатора, самописца и интегратора (Мартынова Н.Н., Лозовик П.А., Глинский A.M. Определение органического углерода в природных водах с использованием системы непрерывного газового потока // Органическое вещество и биогенные элементы в водах Карелии. Петрозаводск, 1985, с. 191-203).

Недостатком прототипа является узкий диапазон измерений концентрации органического углерода, что обусловлено невозможностью измерения высоких концентраций углекислого газа оптико-акустическим анализатором и недостаточная точность измерений. Кроме того, срок службы оптико-акустического анализатора в составе устройства достаточно мал и ограничивается периодом 1-3 года, что вызвано поступлением остаточных паров воды из фотохимической ячейки и последующей коррозией оптических компонентов, которые не подлежат замене.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является разработка автоматизированного, простого в изготовлении устройства, позволяющего эффективно использовать его для определения содержания органического углерода в природных, питьевых и сточных водах.

Технический результат полезной модели заключается в расширении диапазона измерения концентрации органического углерода, повышении точности анализа и увеличении срока службы устройства.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения органического углерода в воде, содержащего блок подачи газа-носителя и расположенные на газовой магистрали ареометр, патрон с аскаритом, фотохимический блок, в котором установлены две ртутно-кварцевые лампы с размещенной между ними фотохимической ячейкой, на выходе которой установлен обратный холодильник, к которому последовательно подсоединены патрон с ангидроном и измерительный блок с размещенным в нем анализатором, согласно полезной модели, в измерительном блоке в качестве анализатора использован управляемый компьютером дисперсионный ИК-Фурье спектрометр, в рабочей зоне которого установлена газовая кювета, сообщающаяся с атмосферой и герметично соединенная с детектором и объективом, к которым подсоединен блок продувки, включающий микрокомпрессор, патрон с осушителем и патрон с аскаритом, последовательно расположенные на дополнительной газовой магистрали, а интерферометр спектрометра заполнен азотом. Кроме того, блок подачи газа-носителя, установленный на входе газовой магистрали, содержит пристальтический насос и стабилизатор давления. На газовой магистрали между ареометром и патроном с аскаритом дополнительно установлен патрон с осушителем.

На фиг. представлена блок-схема устройства для определения органического углерода в воде.

Устройство для определения органического углерода в воде содержит блок подачи газа-носителя 1, включающий пристальтический насос 2 и стабилизатор давления 3, а также расположенные на газовой магистрали 4 ареометр 5, патрон с осушителем 6, патрон с аскаритом 7, фотохимический блок 8, в котором установлены две ртутно-кварцевые лампы 9 с размещенной между ними фотохимической ячейкой 10. На выходе фотохимической ячейки установлен обратный холодильник 11, к которому последовательно подсоединены патрон с ангидроном 12 и измерительный блок 13. В измерительном блоке 13 размещен анализатор, в качестве которого использован управляемый компьютером (на блок-схеме не указан) дисперсионный ИК-Фурье спектрометр 14, в рабочей зоне которого установлена газовая кювета 15 сообщающаяся с атмосферой и герметично соединенная с детектором 16 и объективом 17. К детектору и объективу спектрометра 14 подсоединен блок продувки 18, включающий микрокомпрессор 19, патрон с осушителем 20 и патрон с аскаритом 21, последовательно расположенные на дополнительной газовой магистрали 22. Интерферометр 23 спектрометра 14 заполнен азотом. Устройство работает следующим образом.

Подготовка устройства к работе проводится перед каждой серией измерений путем предварительного включения ИК-Фурье спектрометра 14, пристальтического насоса 2 и микрокомпрессора 19 для вытеснения атмосферной влаги и углекислого газа из объектива 17 и детектора 16 спектрометра 14 и газовой магистрали 4.

Подготовка фотохимической ячейки проводится перед каждым измерением и заключается в том, что в фотохимическую ячейку 10 помещается 0,3 г. кристаллического персульфата аммония, 0,75 мл 1-молярного раствора H₃ PO₄ и 15 мл водной пробы. Производится сборка фотохимической ячейки 10 с обратным холодильником 11 и их установка в фотохимический блок 8.

Пристальтический насос 2 подает газ-носитель, в качестве которого выступает атмосферный воздух, в газовую магистраль 4 через стабилизатор давления 3, сглаживающий колебания потока газа-носителя на выходе из насоса. Далее газ-носитель поступает в систему подготовки, состоящую из патрона-осушителя (CaCl ₂) 6 и патрона с аскариторм 7, где происходит его очистка от паров воды и углекислого газа соответственно. Поток газа-носителя, проходящий через фотохимическую ячейку 10, в которую помещена проба воды с окислителем - персульфатом аммония, должен оставаться постоянным на протяжении всего хода измерений. Его расход контролируется с помощью ареометра 5, по падению давления газа-носителя при прохождении через калиброванную трубку. Продувка пробы воды продолжается до тех пор, пока сигнал, регистрируемый измерительным блоком 13, не перестанет изменяться, что будет соответствовать моменту выхода неорганического углерода из пробы воды. Далее с помощью измерительного блока 13 регистрируется фоновое значение, которое соответствует остаточному содержанию углекислого газа в газе-носителе.

На следующем этапе производится включение УФ-ламп 9 в фотохимическом блоке 8, с помощью которых проводится разложение органического вещества в пробе воды с выделением углекислого газа. Выделившийся при разложении органического вещества углекислый газ поступает в обратный холодильник 11, где происходит отделение водного пара от основного потока газа-носителя. Сконденсированная вода стекает обратно в фотохимическую ячейку 10, а углекислый газ увлекается потоком газа-носителя и проходит по газовой магистрали 4 в патрон с ангидроном (Mg(ClO₄)₂) 12, где обезвоживается и далее поступает газовую кювету 15 измерительного блока 13. Измерительным блоком 13 производится регистрация коэффициента поглощения ИК-излучения углекислым газом, находящимся в газовой кювете 15, относительно фонового значения, измеренного ранее. Измерения производятся через равные промежутки времени. Коэффициент поглощения интегрируется по времени измерения и является характеристикой, которая прямо пропорциональна объему выделяющегося при разложении органического вещества углекислого газа.

Концентрация органического углерода в пробе воды определяется путем расчета по градуировочному графику, отражающему зависимость интегрального коэффициента поглощения от концентрации органического углерода в предварительно приготовленных стандартных образцах с априорно известной его концентрацией. Для построения градуировочного графика в фотохимическую ячейку 10 вместо пробы воды загружаются стандартные образцы.

Испытания устройства были проведены на пробах воды из 4-х разнотипных озер Карелии, отобранных в различные сезоны года. Всего было проанализировано 76 проб воды. При анализе проводилось по два последовательных определения C_орг для каждой из них, что позволило провести статистическую обработку результатов и оценку погрешности измерения. В результате было определено, что в исследованных пробах концентрация C_орг находилась в диапазоне от 5,5 до 21,0 мгС/л, а стандартное отклонение в этом диапазоне составило 0,13 мгС/л. Дополнительно были проведены эксперименты со стандартными растворами лимонной кислоты с концентрацией от 0,05 до 100 мгС/л, которые показали, что предел обнаружения составляет 0,1 мгС/л, а при концентрации 10 мгС/л не наблюдается зашкаливание детектора устройства. Калибровка проводилась на основе стандартов лимонной кислоты, соответствующих следующим концентрациям C_орг: 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 25 мгС/л. При этом осуществлялось по два измерения для каждой из концентраций. Коэффициент корреляции был равен R²=0.9991. В таблице представлены характеристики предложенного устройства и прототипа.

Из таблицы следует, что использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет расширить диапазон измерения концентрации органического углерода, повысить точность анализа, о чем свидетельствует уменьшение погрешности измерений, а также увеличить срок службы устройства за счет использования сменных оптических компонентов в газовой кювете.

1. Устройство для определения органического углерода в воде, содержащее блок подачи газа-носителя и расположенные на газовой магистрали ареометр, патрон с аскаритом, фотохимический блок, в котором установлены две ртутно-кварцевые лампы с размещенной между ними фотохимической ячейкой, на выходе которой установлен обратный холодильник, к которому последовательно подсоединены патрон с ангидроном и измерительный блок с размещенным в нем анализатором, отличающееся тем, что в измерительном блоке в качестве анализатора использован управляемый компьютером ИК-Фурье спектрометр, в рабочей зоне которого установлена газовая кювета, сообщающаяся с атмосферой и герметично соединенная с детектором и объективом спектрометра, к которым подсоединен блок продувки, включающий микрокомпрессор, патрон с осушителем и патрон с аскаритом, последовательно расположенные на дополнительной газовой магистрали, а интерферометр спектрометра заполнен азотом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок подачи газа-носителя, установленный на входе газовой магистрали, содержит перистальтический насос и стабилизатор давления.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на газовой магистрали между ареометром и патроном с аскаритом дополнительно установлен патрон с осушителем.