Каталог файлов
| Главная » Файлы » Группа АК-21 » Аналитический контроль состояния окружающей среды |
Задание ДО АК 21 05.10.2023 III пара : МДК 02.002. Тема 1. Анализ воздушных объектов. Отбор и подготовка проб воздуха.
| [ Скачать с сервера (29.5 Kb) ] | 04.10.2023, 11:23 |
| Задание ДО АК 21 05.10.2023 III пара План учебного занятия Дисциплина: МДК 02.002. Аналитический контроль состояния окружающей среды Тема 1. Анализ воздушных объектов. Отбор и подготовка проб воздуха. Вид занятия: Проблемная лекция Лекция: «Отбор и подготовка проб воздуха» План лекции: 1 Факторы, определяющие место отбора проб 2 Способ отбора проб 3 Расчет объема воздуха необходимый для анализа 4 Факторы, определяющие выбор поглотителя 5 Виды твердых отсорбентов и их назначение 6 Возможные ошибки при использовании жидких поглотителей 7 Способы подготовки проб к анализу Правила, оборудование и приборы для отбора проб воздуха. Способ и место отбора проб воздуха. Концентрация токсичных веществ в атмосферном воздухе зависит не только от характера источников загрязнения, но также от метеорологических условий и топографических факторов. При определении мест отбора проб воздуха наиболее существенными факторами, которые следует учитывать, являются промышленные выбросы газов и аэрозолей через дымоходы и мощные вентиляционные системы, а также выхлопные газы автомобилей, направление и скорость ветра („роза загрязнения”, „роза задымления”). Нужно учитывать температурную инверсию, барометрическое давление, влажность воздуха, рельеф местности и расстояние от источника загрязнения и его высоту. Например, температурная инверсия, при которой температура верхних слоев воздуха выше температуры более низких слоев, способствует образованию тумана, который затрудняет рассеивание и разбавление промышленных выбросов и выхлопных газов автомобилей, и они как бы „прижимаются” к земле. При этом образуется так называемый смог, характерный для многих промышленных центров в безветренную погоду. Для эффективного санитарно-химического контроля за состоянием атмосферного воздуха пробы для анализа необходимо отбирать в зонах наиболее интенсивного загрязнения. Это же касается отбора проб воздуха в цехах промышленных предприятий и в других частично или полностью замкнутых зонах. В отличие от природных вод, за перемещением и перемешиванием воздушных масс с различным химическим составом следить трудно, а часто вообще невозможно. Во время анализа воздуха рекомендуется в любой точке последовательно отобрать не менее 5 проб, определить среднее арифметическое значение содержания исследуемого компонента и провести статистическую оценку достоверности полученного результата. Если средний результат окажется статически недостоверным, то нужно отбирать дополнительные пробы для анализа. Способ отбора проб зависит от форм нахождения токсичных примесей в воздухе. Так, некоторые микропримеси могут быть в воздухе в газообразном состоянии, например, оксид углерода, озон, аммиак, дивинил и др, а другие - в виде паров (алифатические углеводороды, спирты, органические кислоты, йод, нафталин, фенол и др.) или в форме жидких и твердых аэрозолей (серная кислота, оксиды металлов, соли и т.п.) В некоторых случаях один и тот же ингредиент находится в воздухе в различных формах. Например, такие соединения как дибутилфталат, капролактам и другие с высокими температурами кипения могут одновременно образовывать пару и жидкий аэрозоль, в зависимости от их содержания в воздухе, плотности и температуры воздуха. Выявление агрегатного состояния определяемого компонента в воздухе необходимо для правильного выбора сорбентов и фильтров, которые используют для улавливания и концентрирования микропримесей. Предварительно оценку агрегатного состояния токсичных веществ можно сделать на основании их плотности, т.е. максимальной концентрации паров при данной температуре. Плотность L, мг/л, определяют по формуле: L = 16* р * М / (273 + t) (17) где р - давление насыщенного пара вещества, мм.рт.ст., при температуре t°С; М - молекулярная масса вещества. В справочной литературе часто отсутствуют данные о давлении насыщенного пара вещества при различных температурах. В таких случаях значения Р, мм.рт.ст., при температуре t для вещества с температурой кипения tкип можно вычислить по приближенной формуле: Р = 2.763 - 0.019 * t кип + 0.024 * t Таким образом, зная температуру кипения вещества, можно определить давление ее насыщенного пара при любой температуре воздуха и ее плотность при этой же температуре. Расчет плотности по эмпирической формуле дает погрешность до (30 - 40)%. Содержание токсичных веществ в воздухе определяется с учетом их предельно допустимых концентраций (ПДК) и потому при выборе способа отбора пробы для анализа следует брать во внимание не только плотность токсичного вещества, но также ее ГДК. Таким образом, предварительный расчет величины относительной плотности определенного токсиканта и ее сравнение с ПДК дают возможность выбрать оптимальный способ отбора пробы воздуха для анализа с учетом агрегатного состояния токсиканта. При анализе пробы воздуха отбирают преимущественно аспирационным способом, пропуская воздух через поглотительную систему - жидкие поглотители, твердые сорбенты или фильтрующие материалы. Минимальная концентрация токсиканта, которую можно определить, зависит от чувствительности выбранного метода анализа и объема воздуха, который отбирается для анализа. Аспирация лишнего объема приводит к неоправданным потерям рабочего времени, а недостаточный объем пробы может привести к невозможности выполнения анализа. При аспирации воздуха через жидкий поглотитель определяемые вещества концентрируются в определенном объеме раствора. При аспирации через твердый сорбент или фильтр сорбированные токсиканты десорбируют или растворяют фильтр и также получают определенный объем аналитического концентрата. Для анализа можно использовать весь полученный раствор или отобрать из него аликвоту. Оптимальный объем воздуха, м3 анализа определяют по формуле: V = a * V0 / V * C * K где а - нижняя граница определения токсиканта, мг; V0 - общий объем поглотительного раствора или раствора после десорбции или растворения фильтра, мл; Vn - объем аликвоты, взятой для анализа, мл; С - предельно допустимая концентрация определяемого токсикатна, мг/м3; К - коэффициент, который соответствует долям ПДК (¼, ½, 1 ПДК и т.д.). Во многих методических указаниях для определения токсических веществ приведены объемы воздуха, необходимые для определения ½ ПДК. Объем воздуха, отобранный для анализа, приводит к нормальным условиям (() 0С, 101080 Па) по формуле: V0 = 237 * p * v / (273 + t) * 101080 где V0 - объем, приведенный к нормальным условиям; v - объем отобранного для анализа воздуха; р - атмосферное давление при отборе воздуха, Па; t - температура воздуха в месте отбора пробы 0С. Отбор проб воздуха в жидкие поглотители, на твердые сорбенты и на фильтры. Подготовка проб к анализу. Отбор проб воздуха в жидкие поглотители являются наиболее простым и эффективным способом для анализа парогазообразных веществ. При этом определяемые компоненты растворяются или вступают в химическое взаимодействие с реагентами, которые содержатся в поглотительной среде (хемосорбция). Правильный выбор поглотительной среды позволяет избирательно определять вещества в их смеси. Например, при анализе воздуха на содержание СО2 и СО можно селективно хемосорбировать СО2 раствором щелочи. Отбор проб в растворы выполняют путем аспирации воздуха через поглотительный сосуд (абсорбер), который заполнен определенным растворителем - водой, кислотой, щелочью, спиртом и т.п., в зависимости от физических и химических свойств определяемых компонентов. Скорость пропускания воздуха через абсорбер может меняться в широких пределах - от 0,1 до 100 л/мин, но при этом она должна быть такой, чтобы обеспечить полное поглощение определяемых веществ. При физической абсорбции, когда определяемые газообразные или парообразные вещества растворяются в поглотительной среде, не вступая с ней в химическое взаимодействие, важно обеспечить максимальную поверхность контакта двух фаз - газообразной (парообразной) и жидкой. Это достигается специальной конструкцией абсорберов, в которых воздух пропускается через пористые фильтры, в результате чего увеличивается поверхность контакта воздуха с жидкостью. Более эффективным является поглощение, которое основывается на хемосорбции. Например, для поглощения аммиака и аминов используют разбавленную серную кислоту, а для поглощения фенолов раствор щелочи или гидрокарбоната натрия и т.д. Однако во всех случаях полноту абсорбции нужно контролировать, пропуская пробу воздуха через два или более абсорберов и определяя в каждом из них исследуемый компонент. Жидкие поглотительные среды малоэффективны или вообще непригодны при анализе воздуха, в котором определяемые вещества находятся в виде твердых аэрозолей. Они малоэффективны также при необходимости отбора большого объема воздуха вследствие летучести раствора и связанных с этим потерь определяемых веществ. Отбор проб воздуха на твердые адсорбенты дает возможность значительно увеличить объем пробы и скорость ее пропускания и за короткое время накапливать достаточное для анализа количество определяемых веществ. Твердые адсорбенты дают возможность также избирательно сорбировать одни вещества в присутствии других и являются удобными при транспортировке и хранении отобранных проб. Твердые адсорбенты, которые используют для анализа воздуха, можно разделить на три группы. К первой из них относятся гидрофильные неорганические материалы (силикагель и молекулярные сита). Ко второй группе относятся гидрофобные сорбенты типа активированного угля. Третья группа включает синтетические макропористые органические материалы с высокой степенью гидрофобности, их физические и физико-химические характеристики, а также сферы использования приведены в справочниках и в специальной литературе по вопросам анализа воздуха. С помощью различных адсорбентов поглощают компоненты, которые содержатся в воздухе в газообразном или парообразном состоянии, а также в виде жидких аэрозолей. Конструкция трубок, заполненных твердыми адсорбентами, а также аппаратура для отбора проб воздуха в эти трубки описаны в специальной технической литературе. Отбор проб воздуха на фильтры используется в основном при анализе твердых аэрозолей. Некоторые марки таких фильтров задерживают только аэрозоли и пропускают через себя парообразные вещества, то есть могут быть использованы для доказательства наличия или отсутствии в воздухе паров токсичных веществ. Для селективного улавливания органических соединений с различной молекулярной массой используют специальные мембранные фильтры с различными размерами пор. Например, мембранные фильтры марки „Синпор” (Чехословакия) имеют средний размер пор от 0,12 до 4 мкм. Такие фильтры можно использовать для сорбции и разделения грубодисперсных коллоидных и молекулярно-дисперсных частиц в газообразных и жидких средах. При отборе проб воздуха для анализа следует обратить внимание на наиболее существенные источники погрешностей, которые в дальнейшем анализе невозможно исправить. Так, если содержание газопарообразных токсичных веществ в воздухе значительно и есть возможность их определить методом газовой хроматографии без концентрирования, тогда пробы для анализа отбирают с помощью стеклянных шприцев, газовых пипеток, мешков из полимерных пленок, резиновых камер и т.п. При этом возможны значительные расходы определяемых компонентов вследствие нарушения герметичности пробоотборных устройств и сорбции микрокомпонентов на внутренней поверхности емкости, в которой находится проба. Например, при наличии в 100 см3 воздуха от 20 до 100 мкг бензина (углеводороды С5 - С9), 1см2 поверхности стекла при комнатной температуре сорбирует от 8 до 18 мкг бензина. В таких случаях погрешность при отборе воздуха может быть уменьшена „промывкой” пробоотборной емкости исследуемым воздухом до установления равновесия в распределении определяемого компонента между воздухом и поверхностью сорбции или определению допустимой продолжительности хранения пробы, в течение которой сорбцией можно пренебречь. При этом следует также учитывать, что в газовый хроматограф нельзя вносить пробы воздуха, содержащие твердые аэрозоли, а при наличии жидких аэрозолей температурный режим анализа должен обеспечивать их переход в парообразное состояние. При отборе проб воздуха путем аспирации через жидкие поглотительные среды или через трубки, заполненные твердым адсорбентом, наиболее важные факторы, которые могут приводить к ошибкам, следующие: а) неправильное определение объема пробы воздуха вследствие механического износа некоторых узлов пробоотборного устройства (ротаметра); б) пренебрежение агрегатному состоянию определяемого компонента. Например, для улавливания твердых аэрозолей неприменимы жидкие поглотители, потому что за время контакта жидкой и твердой фаз последняя не успевает полностью раствориться; в) полнота поглощения определяемых компонентов зависит от скорости и продолжительности аспирации воздуха через жидкие или твердые сорбенты. Если скорость аспирации, превышает скорость сорбции, возможна потеря определенной доли определяемого компонента, который не успел сорбироваться. Если же через сорбент пропускать, хотя и медленно, большое количество воздуха в течение длительного времени, то может не хватить емкости сорбента, что тоже приведет к частичной потере определяемых компонентов. Поэтому пробы воздуха отбирают через несколько последовательно соединенных между собой абсорберов или сорбционных трубок и контролируют в них содержание определяемых компонентов; г) влияние посторонних примесей, особенно паров воды и окислителей и восстановителей на свойства сорбента или определяемого вещества. Например, полярный характер поверхности силикагеля не дает возможности использовать этот сорбент для отбора проб воздуха во время дождя, потому что сорбированная вода может мешать улавливанию компонентов, которые нужно определить. Чтобы предотвратить эти и другие ошибки, при отборе проб воздуха следует тщательно соблюдать правила, которые приведены в соответствующей методике анализа. Подготовка проб к анализу. При непосредственном газохроматографическом анализе подготовка пробы воздуха для анализа заключается в том, что при наличии твердых аэрозолей их отделяют с помощью фильтров, на которых паро-газообразные вещества не задерживаются. При отсутствии в воздухе твердых аэрозолей пробу без фильтрации вносят непосредственно в камеру выпаритель газового хроматографа. При адсорбции или хемосорбции в жидкие поглотительные среды получают раствор, в котором сконцентрированы определяемые вещества. Способ термодесорбции заключается в том, что через нагретую до определенной температуры концентрационную трубку, которая содержит в фазе сорбента определяемые вещества, пропускают инертный газ - гелий, аргон или азот. После этого полученную газообразную смесь вводят в газовый хроматограф. Термодесорбцию проводят главным образом при определении органических соединений, сорбированных на хроматографических сорбентах и пористых полимерах. Экстракционное выделение сорбированных в концентрационных трубках веществ заключается в их растворении (десорбции) различными растворителями - гексаном, хлорбензолом, бензолом, диэловым эфиром, этанолом, сероуглеродом и др. Выбор экстрагента зависит от полярности сорбента и сорбированных на нем веществ. При этом полярные соединения десорбируются лучше полярными экстрагентами, а не полярные - неполярными или мало полярными. Например, из неполярного активированного угля сероуглеродом экстрагируют алифатические и ароматические углеводороды, а смесью диэтилового эфира с изопропанолом десорбируют спирты, кетоны и хлороуглероды. Из полярного сорбента типа силикагеля экстрагируют метанолом, этанолом, диэтиловым эфиром или водой полярные соединения - спирты, амины, хлорфенол, хлорбензол и т.д. Экстракты органических соединений анализируют газохроматографическим методом. Экстракционное извлечение абсорбированных веществ можно выполнить в статических или динамических условиях. Статическое экстракцию проводят в закрытой посуде путем взбалтывания сорбента с экстрагентом. Полнота экстракции зависит от природы сорбента, химической природы сорбированных веществ и экстрагента и от продолжительности экстракции. Например, при статической экстракции бензола из силикагеля изопропиловым спиртом (10г сорбента, 25 мл экстрагента) за 15, 30, 60, 120 и 720 мин. Экстракции десорбируются соответственно 80, 85, 92, 95 и 100% бензола. Статическая десорбция в закрытой посуде предложена для извлечения веществ с низкой температурой кипения с целью предотвращения их выветривания. Динамическую экстракцию (десорбцию) проводят непосредственно в трубке, через которую проводили аспирацию воздуха. Для этого к кончику трубки, противоположному к входу воздуха, присоединяют делительную воронку, содержащую экстрагент. Нижний конец трубки закрывают тампоном из стекловаты. Десорбцию проводят 4-5 раз такими объемами экстрагента, масса которых в три раза превышает массу сорбента в трубке. Экстракты собирают отдельно в мерные цилиндры и в каждом из них определяют концентрацию десорбированных компонентов. Полнота извлечения зависит от продолжительности контакта экстрагента с сорбентом, то есть от скорости промывки сорбента и общего объема экстрагента. После аспирации воздуха через специальные волокнистые фильтры с целью улавливания твердых аэрозолей, в основном неорганических веществ, фильтры растворяют в кислотах или щелочах, и полученный концентрат анализируют на содержание определяемых компонентов. Для определения газообразных токсикантов в воздухе применяют также автоматические анализаторы например, при определении содержания СО в выхлопных газах автомобилей и т.д. Задание для домашней самостоятельной работы 1 Изучить и законспектировать учебный материал лекции 2 Ответить на вопросы задания 1-7 2.1 Факторы, определяющие место отбора проб 2.2 Способ отбора проб 2.3 Расчет объема воздуха необходимый для анализа 2.4 Факторы, определяющие выбор поглотителя 2.5 Виды твердых отсорбентов и их назначение 2.6 Возможные ошибки при использовании жидких поглотителей 2.7 Способы подготовки проб к анализу Литература: 1. Другов Ю.С. Экологическая аналитическая химия. С.-Пб.: Анатолия, 2000. – 440 с. 2. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат., 1984. – 575 с. 3. Майстренко В.Н.. Хамитов Р.З., Будников Г.К. «Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. – М.: Химия, 1006. – 325 с. 4. Золотов Ю.А., Кузьмин Н.М., Кимстач В.А. и др. //Журн. Российского хими об-ва им. Д.И. Менделеева, 1993, №4, С. 22-27. | |
| Просмотров: 26 | Загрузок: 0 | Рейтинг: 0.0/0 | |
| Всего комментариев: 0 | |