Способ определения токсичных примесей в газе

 

Изобретение относится к области исследования физико-химических свойств веществ. Способ включает превращение определяемых токсичных примесей в ядра конденсации, смешение ядер конденсации с парами рабочей жидкости, образование конденсационного аэрозоля и определение концентрации образовавшегося аэрозоля. Превращение определяемых токсичных примесей в ядра конденсации производят путем химической реакции или активации с образованием незаряженных ядер конденсации или путем ионизации с образованием заряженных ядер конденсации (ионов). При этом химическую реакцию, активацию или ионизацию примесей проводят в течение 0,2 - 1 с. В качестве рабочей жидкости используют любые летучие вещества: летучие жидкости, смеси летучих жидкостей или растворы твердых веществ в летучих жидкостях с температурой кипения 170 - 300^oC. Образовавшиеся ядра конденсации смешивают с парами рабочей жидкости, нагретой до температуры 70 - 150^oC, с временем пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,01 - 0,5 с. Образование конденсационного аэрозоля осуществляют путем охлаждения полученной смеси в течение 0,2 - 1 с до температуры 15 - 25^oC, при этом по концентрации образовавшегося аэрозоля определяют концентрацию токсичных примесей в газе. Обеспечено повышение чувствительности определения токсичных примесей, расширение способа, уменьшение энергетических затрат.

Изобретение относится к области исследования физико-химических свойств веществ, в частности к анализу примесей в газе путем превращения их в ядра конденсации, на которых осуществляется образование конденсационного аэрозоля, с его последующей регистрацией, и может быть использовано для контроля токсичных примесей металлоорганических соединений (карбонилов железа, никеля, вольфрама, молибдена, марганца и др., тетраэтисвинца, ферроцена и его производных, циклопентадиенилтрикарбонила марганца и его производных), окислов азота, паров ртути и других токсичных примесей в газе.

Известен способ определения примесей в газе, основанный на превращении молекул примеси в труднолетучие вещества, коагулирующие с образованием ядер конденсации, в котором для создания конденсирующего на ядрах пара проводится испарение соответствующего вещества с последующим аднабатическим расширением, см. патент США N 3117841, МПК G 01 N 15/00, НКИ кл. 23 - 232, опубликованный 1965 г.

Недостатком этого способа является низкая чувствительность способа, обусловленная стадией коагуляции и малая избирательность способа при анализе примесей.

Известен также способ определения токсичных примесей в газе, включающий превращение определяемых токсичных примесей в ядра конденсации, смешение ядер конденсации с парами рабочей жидкости, образование конденсационного аэрозоля и определение концентрации образовавшегося аэрозоля, см. авторское свидетельство СССР N 188132, опубликованное 20.10.1966 г. в бюллетене N 21.

В известном способе, принятом за прототип, осуществляют фотохимическое или химическое превращение примеси в незаряженные ядра конденсации, последовательное введение ядер конденсации сначала в пересыщенные пары весьма малолетучего проявляющего вещества с образованием мелкодисперсного аэрозоля и далее в пересыщенные пары более летучего укрупняющего вещества с укрупнением мелкодисперсного аэрозоля до размеров, удобных для нефелометрических измерений. Пересыщенные пары проявляющего и укрупняющего веществ создаются в последовательно расположенных конденсационных устройствах.

Недостатками способа являются многоступенчатость измерения, использующего два конденсационных устройства, что увеличивает массу, габариты и энергопотребление и усложняет способ измерения и весьма узкий круг определяемых соединений, включающий только те вещества, которые дают незаряженные ядра конденсации. Крайне низкая эффективность способа при образовании из анализируемых веществ заряженных ядер конденсации объясняется использованием весьма малолетучих проявляющих веществ, для которых характерна очень низкая скорость конденсации на зараженных ядрах (ионах).

По этой же причине в известном способе снижается чувствительность определения незаряженных ядер конденсации.

В данном изобретении ставится задача повысить чувствительность способа, упростить способ, снизить массу, габариты и энергопотребление устройств, осуществляющих предлагаемый способ и расширить круг определяемых веществ.

Решение этой задачи при использовании предложенного способа обеспечивается за счет того, что в способе определения токсичных примесей в газе, включающем превращение определяемых токсичных примесей в ядра конденсации, смешение ядер конденсации с парами рабочей жидкости, образование конденсационного аэрозоля и определение концентрации образовавшегося аэрозоля, превращение определяемых токсичных примесей в ядра конденсации производят путем химической реакции или активации с образованием незаряженных ядер конденсации или путем ионизации с образованием заряженных ядер конденсации (ионов), при этом химическую реакцию, активацию или ионизацию примесей производят в течение 0,2-1 с.

В качестве рабочей жидкости используют любые летучие вещества: летучие жидкости, смеси летучих жидкостей или растворы твердых веществ в летучих жидкостях с температурой кипения от 170 до 300^oC.

Образовавшиеся ядра конденсации смешивают с парами рабочей жидкости, нагретой до температуры 70 - 150^oC, с временем пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,01 - 0,5 с.

Образование конденсационного аэрозоля осуществляют путем охлаждения полученной смеси в течение 0,2 - 1 с до температуры 15 - 25^oC, при этом по концентрации образовавшегося аэрозоля определяют концентрацию токсичных примесей в газе.

Достигаемый при этом технический результат: - повышение чувствительности определения токсичных примесей примерно в 3-10 раз; - расширение круга определяемых токсичных примесей; - упрощение способа; - уменьшение энергетических затрат для осуществления способа примерно на порядок; - уменьшение габаритов устройств, реализующих способ, примерно на порядок.

В предложенном способе чувствительность определения токсичных примесей повышается за счет использования любых летучих веществ (жидкостей, смесей, растворов твердых веществ в летучих жидкостях с температурой кипения 170 - 300^oC) и оптимальных режимов осуществления способа.

Расширение круга определяемых токсичных примесей обеспечивается за счет превращения токсичных примесей не только в незаряженные, но и в заряженные ядра конденсации (ионы) и оптимальном процессе их получения.

Упрощение способа, уменьшение энергопотребления и габаритов устройств, реализующих способ, обеспечивается проведением операции образования конденсационного аэрозоля в одну стадию, без использования многоступенчатой схемы с несколькими конденсационными устройствами, без использования нескольких рабочих жидкостей, первая из которых должна быть весьма труднолетучая, а также выбором оптимальных режимов осуществления способа.

Предложенный способ заключается в следующем.

Определяемые токсичные примеси газа превращают в ядра конденсации, смешивают их с парами рабочей жидкости, образуют конденсационный аэрозоль и определяют его концентрацию.

При этом превращение определяемых примесей в ядра конденсации производят либо путем химической реакции (например, окисления) или активации (путем облучения) с образованием незаряженных ядер конденсации или путем ионизации с образованием заряженных ядер конденсации (ионов), при этом химическую реакцию, активацию или ионизацию проводят в течение 0,2 - 1,0 сек.

Образовавшиеся ядра конденсации смешивают с парами рабочей жидкости, нагретой до температуры 70 - 150^oC, с временем пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,01-0,5 с.

В качестве рабочей жидкости используют любые летучие вещества: летучие жидкости, смеси летучих жидкостей, растворы твердых веществ в летучих жидкостях.

Образование конденсационного аэрозоля осуществляют путем охлаждения полученной смеси в течение 0,2-1,0 с до температуры 15 - 25^oC. Затем определяют концентрацию образовавшегося аэрозоля, по которой судят о концентрации токсичных примесей в газе.

Предложенный способ поясняется на следующих примерах.

Пример 1. Поток воздуха, содержащий пары декакарбонила марганца или диоксида азота, с расходом 0,1-0,3 л/мин вводят в кварцевую трубку, где он с помощью внешнего электрического обогрева нагревается до 200 30^oC, в которой при времени пребывания молекул декакарбонила марганца в трубке 0,4-0,6 с происходит превращение декакарбонила марганца в незаряженные ядра конденсации. Образовавшиеся ядра конденсации смешиваются с парами нагретой до 70 - 75^oC рабочей жидкости, генерируемыми в конденсационном устройстве при времени пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,01 с. Полученная смесь охлаждается в термостате при температуре 15^oC. В качестве рабочей жидкости используется декан (температура кипения при давлении 760 мм рт.ст. 174^oC), имеющий существенно большую летучесть, чем у диизобутилфталата /- наиболее летучего укрупняющего вещества в прототипе (температура кипения диизобутилфталата при давлении 760 мм рт.ст. 327^oC). Выросшие в термостате при времени пребывания в нем 0,2 с аэрозольные частицы направляют в фотоэлектрический нефелометр типа ФАН, где измеряют величину интегрального светорассеяния от аэрозольных частиц, пропорциональную концентрацию декакарбонила марганца или диоксида азота. Чувствительность определения декакарбонила марганца при использовании в качестве рабочей жидкости декана приблизительно в 3 раза превышает чувствительность при использовании диизобутилфталата и находится на уровне 10^-16-10^-17 об.дол. (по декакарбонилу марганца) и 10^-9 об. дол. (по диоксиду азота).

Пример 2. Поток воздуха, содержащий пары ферроцена или его производных (ферроцена, диметилферроцена, этилферроцена, этинилферроцена), циклопентадиенилтрикарбонила марганца или его производных (циклопентадиенилтрикарбонил марганца, триметилциклопентадиенилтрикарбонил марганца, этилциклопентадиенилтрикарбонил марганца) с расходом 0,1-0,3 л/мин, вводят в кварцевую трубку, облучаемую источником ультрафиолетового излучения с длиной волны 18020 нм, где он с помощью внешнего электрического обогрева, не препятствующего прохождению излучения через трубку, нагревается до температуры 100 20^oC. При этом при времени пребывания ферроцена или циклопентадиенилтрикарбонила марганца или же их производных в трубке 0,6-0,8 с происходит превращение вышеуказанных веществ в незаряженные ядра конденсации. Образовавшиеся ядра конденсации смешиваются с парами нагретой до 105 5^oC рабочей жидкости, генерируемыми в конденсационном устройстве при времени пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,05 с. Получаемая смесь охлаждается в термостате при температуре 20^oC. В качестве рабочей жидкости используется смесь жидких углеводородов - керосин, имеющий температуру кипения при давлении 760 мм рт. ст. в интервале от 200 до 300^oC. Выросшие в термостате при времени пребывания в нем 0,5 с аэрозольные частицы направляют в фотоэлектрический нефелометр типа ФАН, где измеряют величину интегрального светорассеяния от аэрозольных частиц, пропорциональную концентрации ферроцена или циклопентадиенилтрикарбонила марганца или их производных. Чувствительность определения вышеуказанных веществ находится на уровне 10^-15 об.дол., что в 4 раза больше, чем при использовании диизобутилфталата.

Пример 3. Поток воздуха, содержащий пары ртути с расходом 0,1-0,3 л/мин, вводят в кварцевую трубку, облучаемую источником ультрафиолетового излучения с длиной волны 253,7 нм, в которой при времени пребывания атомов ртути в трубке 0,8-1,0 с проходит превращение атомов ртути в незаряженные ядра конденсации. Образовавшиеся ядра конденсации смешиваются с парами нагретой до 105 5^oC рабочей жидкости, генерируемыми в конденсационном устройстве при времени пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,5 с. Полученная смесь охлаждается в термостате при температуре 25^oC. В качестве рабочей жидкости используется насыщенный раствор твердого вещества -о-фталевой кислоты в летучей жидкости - диэтилфталата (температура кипения при давлении 760 мм рт. ст. 294 - 296^oC). Выросшие в термостате при времени пребывания в нем 0,6 с аэрозольные частицы направляют в фотоэлектрический нефелометр типа ФАН, где измеряют величину интегрального светорассеяния от аэрозольных частиц, пропорциональную концентрацию ртути. Чувствительность определения ртути при использовании в качестве рабочей жидкости насыщенного раствора о-фталевой кислоты в диэтилфталате составляет 10^-13 об.дол., что в 4 раза больше, чем при использовании в качестве рабочей жидкости насыщенного раствора о-фталевой кислоты в диизобутилфталате.

Пример 4. Поток воздуха, содержащий пары ионизирующихся веществ, например ацетона, бензола или толуола с расходом 1,0 0,2 л/мин, облучают установленной непосредственно в потоке воздуха закрытой вакуумной ультрафиолетовой лампой, испускающей фотоны с энергией 10,0 и 10,6 эВ, достаточной для фотоионизации ацетона, бензола и толуола в течение 0,12-0,4 с. В результате фотоионизации образуются ионы, являющиеся заряженными ядрами конденсации.

Образовавшиеся ядра конденсации смешиваются с парами нагретой до 140 - 150^oC рабочей жидкости, генерируемыми в конденсационном устройстве при времени пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,2 с. Полученная смесь охлаждается в термостате при температуре 20^oC. В качестве рабочей жидкости используется диэтилфталат. Выросшие в термостате при времени пребывания в нем 1,0 с аэрозольные частицы направляют в фотоэлектрический нефелометр типа ФАН, где измеряют величину интегрального светорассеяния от аэрозольных частиц, пропорциональную концентрации ацетона, бензола или толуола. Чувствительность определения ацетона, бензола или толуола при использовании в качестве рабочей жидкости диэтилфталата составляет 10^-7 - 10^-8 об.дол., что примерно в 10 раз превышает чувствительность при использовании диизобутилфталата.

Во всех примерах уменьшается энергопотребление и габариты устройств, реализующих предложенный способ примерно на порядок.

Формула изобретения

Способ определения токсичных примесей в газе, включающий превращение определяемых токсичных примесей в ядра конденсации, смешение ядер конденсации с парами рабочей жидкости, образование конденсационного аэрозоля и определение концентрации образовавшегося аэрозоля, отличающийся тем, что превращение определяемых токсичных примесей в ядра конденсации производят путем химической реакции или активации с образованием незаряженных ядер конденсации или путем ионизации с образованием заряженных ядер конденсации (ионов), при этом химическую реакцию, активацию или ионизацию примесей проводят в течение 0,2 - 1 с, в качестве рабочей жидкости используют любые летучие вещества: летучие жидкости, смеси летучих жидкостей или растворы твердых веществ в летучих жидкостях с температурой кипения 170 - 300^oC, образовавшиеся ядра конденсации смешивают с парами рабочей жидкости, нагретой до температуры 70 - 150^oC, с временем пребывания ядер конденсации в парах рабочей жидкости 0,01 - 0,5 с, образование конденсационного аэрозоля осуществляют путем охлаждения полученной смеси в течение 0,2 - 1 с до температуры 15 - 25^oC, при этом по концентрации образовавшегося аэрозоля определяют концентрацию токсичных примесей в газе.