автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Совершенствование и автоматизация подготовки проб к химическому анализу при чрезвычайных ситуациях

На правах рукописи

МИРОНОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОБ К ХИМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий» 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

7 2 АПР2612

Москва-2012

005018649

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии на кафедре «Мониторинг и автоматизированные системы контроля».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Латышенко Константин Павлович Научный консультант: доктор технических наук, доцент

Черткова Елена Александровна Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор,

заведующий кафедрой химии АГЗ МЧС РФ Пушкин Игорь Александрович;

кандидат технических наук, доцент кафедры АПП МАДИ Колбасин Александр Маркович

Ведущая организация: ОАО «НПО «Химавтоматика», г. Москва

Защита состоится 26 апреля 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066

г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4, аудитория В-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан 23 марта 2012 г. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная,

д. 21/4.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент у Мокрова Н.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Совершенствование методов подготовки проб компонентов природной среды к химическому анализу при чрезвычайных ситуациях (ЧС) с автоматизацией данного процесса в химико-аналитической лаборатории является актуальной задачей.

Вопросам совершенствования методов подготовки проб к анализу посвящены работы академиков Ю.А. Золотова и В.Г. Хлопина, Н.С. Гришина, В.А. Пашинина, Б.Ф. Мясоедова, Л.Н. Москвина, Б.Я. Спивакова, В.В. Якшина и др., однако нерешённой остаётся задача проведения пробоподготовки при отсутствии информации об анализируемых компонентах пробы в условиях возникновения ЧС.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009-2013 годы)».

Предмет исследования - методы подготовки проб к химическому анализу.

Цель работы. Целью настоящей работы является решение актуальной научно-технической задачи совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения чрезвычайных ситуаций, к химическому анализу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу;

- обосновать направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки;

- разработать универсальный алгоритм подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;

- разработать математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;

- установить факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и

разработке автоматизированных устройств и выбрать их оптимальные значения;

- разработать опытные образцы автоматизированных устройств подготовки проб (АУПГТ) к химическому анализу;

- создать методику подготовки проб к анализу на наличие микропримесей опасных химических веществ (ОХВ) с использованием автоматизации методов;

- провести экспериментальную оценку разработанной методики подготовки проб к анализу с использованием опытных образцов АУПГТ.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы законодательной и прикладной (практической) метрологии, системного анализа, а также методы математического моделирования.

Научная новизна. Научную новизну составляют:

- обоснованные направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки с возможностью их использования в полевых условиях при возникновении ЧС;

- универсальный алгоритм проведения подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;

- математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;

- установленные факторы, влияющие на процесс пробоподготовки, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке автоматизированных устройств, выбранные их оптимальные значения;

- методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС.

Практическая значимость. В результате теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию и ав-

томатизации подготовки проб к химическому анализу при возникновении ЧС:

- установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке АУПП, выбраны их оптимальные значения;

- разработаны опытные образцы экстрактора-сепаратора для жидких и твёрдых проб и концентратора-выпаривателя с возможностью выполнения последовательно проводимых операций про-боподготовки в месте возникновения ЧС;

- проведена экспериментальная оценка разработанной методики подготовки проб к анализу на наличие микропримесей ОХВ с использованием опытных образцов АУПП;

- достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабильности и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС.

С помощью разработанных АУПП возможна отдельная обработка каждой пробы, применение в качестве экстрагентов различных растворителей. Особенностью разработанных АУПП является простота конструкции (лёгкость сборки и разборки, небольшие габариты), небольшое энергопотребление, возможность использования в стационарных и мобильных химико-аналитических лабораториях. Предложенный алгоритм и разработанные АУПП являются инструментом повышения достоверности результатов измерений путём уменьшения погрешностей при пробоподготовке, увеличения производительности химико-аналитической лаборатории. Разработанные АУПП могут быть также использованы для стандартных методик анализа.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ФГУП «86 ЦКБ» МО РФ при выполнении ОКР «Разработка комплекта устройств подготовки проб» и в учебный процесс при выполнении лабораторных работ.

Апробация и публикации. По теме диссертационной работы опубликовано девять печатных работ, в том числе две в

журналах, рекомендованных ВАК. В результате исследований разработаны опытные образцы АУПП. Данные технические решения защищены патентами РФ на изобретение («Концентратор-выпариватель» № 2275243 и «Экстрактор-сепаратор» № 2275225).

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: V Международная конференция «Экологические системы, приборы и чистые технологии», 2011 г.; конференция ЭЦ МО РФ «Экологические проблемы при эксплуатации, хранении и утилизации В и ВТ», 2007 г.; конференция молодых ученых МГУИЭ, 2011 г.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 20 рисунков. Список использованных источников включает 125 наименований. Изложены результаты работы за 2000 - 2011 г.г.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе проведён анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу.

Рассмотрены направления совершенствования существующих и создания перспективных автоматизированных устройств про-боподготовки.

Определена проблематика и сформулированы основные задачи, решаемые в ходе выполнения работы.

Во второй главе рассмотрена подготовка проб к химическому анализу на наличие ОХВ при действиях в условиях возникновения ЧС.

Обоснованы направления совершенствования подготовки проб к химическому анализу в условиях возникновения ЧС.

Предложен универсальный алгоритм пробоподготовки, отличающийся от известных возможностью проводить подготовку проб компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, представленный на рис. 1.

ОХВ с использовани ем средств экспресс-анализа в пробах обнаружены

ОХВ с использованием средств экспресс-анализа в пробах не обнаружены

Подготовка проб к исследованию ФХМА

Принятие решения о проведении углубленного исследования ФХМА

Определение степени летучести веществ на основании априорных данных

Вещества органические нелетучие, термически неустойчивые, неорганические (ле-

Органические летучие вещества (летучесть высокая)

Жидкостно-жидк. экс.

Фильтрование (наличие грубых примесей)

Термодесорбция

Упаривание

Ультразвуковая экстракция

Твердофазная экстракция (информация о наличии активных ионов)

Динамическая термодесорбция

Рис. 1. Универсальный алгоритм подготовки проб ОХВ к анализу

Определены пути создания автоматизированных устройств подготовки проб к анализу на наличие ОХВ для использования в местах возникновения ЧС.

Обосновано, что для использования в полевых условиях, целесообразно применение таких автоматизированных устройств, которые основаны на наиболее доступных и часто встречающихся в большинстве методик методах, а именно: жидкостная экстракция, концентрирование и термодесорбция. Метод термодесорбции актуально использовать при разработке приставок к хроматографам с прямым вводом пробы в анализируемый блок. В то же время автоматизированные устройства жидкостной экстракции и концентрирования применимы для реализации представленного алгоритма в полевых условиях в виде последовательно выполняемых операций. На рис. 2. представлена принципиальная схема работы разработанных АУПП для экстракции микропримесей ОХВ из жидких и твёрдых проб.

экстракта Ур, Сэ

Рис. 2. Принципиальная схема работы АУПП для экстракции микропримесей ОХВ из жидких и твёрдых проб Представив концентрацию исходных веществ в экстракте с учётом стадий растворения, непосредственно экстракции и сепарации и пренебрегая начальной концентрацией извлекаемых веществ в экстракте (С3 = 0), получим математическую модель предложенных АУПП в виде:

Ск=ач-^С = 8С, (О

О У„

где С - концентрация распределяемого компонента в исходной смеси; Ск - концентрация распределяемого компонента в экстракте; а- коэффициент сепарирования, а е[0....]]; 77-степень

извлечения компонента (степень экстракции), /7 е [0____1]; V -

объём пробы; Ур - объём растворителя.

В табл. 1 представлены математические модели разработанных АУПП для экстракции ОХВ из жидких и твердых проб, чувствительность, относительная, абсолютная погрешности и среднеквадратичное отклонение (СКО).

Таблица 1

Наименование модели Экстрактор-сепаратор для жидких проб (ЖЭС), экстрактор-сепаратор для твердых проб (ЖЭС ТП)

1 2

Статическая характеристика 1 V С = ац — -Я-С = 5С О У,

Чувствительность, 5 ас 1 огр

Относительная погрешность, § г!Г IV IV IV /DVr 'DVr IV IV IV ' О Уг ' О Ур "г ' О Ур " = с{да +511 + 51 + 50 + 5Упр + 5Ур)

Абсолютная погрешность, А ЯГ I V Г V XV р ОУр ЭУр IV I 1 IV + ац ~СДО + аг]——СД К + а г\ — СД V = О V О V " О У2 р р р р [а 7 1 О ^ V,)

ско, сг ( V ! Л2 1 о У, ) ' 1 о г, )

1 1 ^ к. \2 Г ч! , у <тгв+ ап~—С\а1 + ац-^гС а} 0 ОК 1 * £> V ' \ Р ) V Р )

На рис. 3. представлена принципиальная схема работы разработанного АУПП для концентрирования микропримесей ОХВ.

уТепловентилятор (турбулизация ^ потока)

Экстракт С Концентрирование Концент-

рат Ск

►На анализ

| Нагрев, Q Рис. 3. Принципиальная схема работы АУПП для концентрирования микропримесей ОХВ Концентрация ОХВ в выпаренном экстракте для дальнейшего исследования физико-химическими методами анализа выражается следующей зависимостью:

С,

в -К

= 5С,

(2)

где Он - общее количество исходного экстракта; К- количество

выпариваемого растворителя.

В табл. 2 представлены математические модели разработанного концентратора-выпаривателя (КВ), чувствительность, относительная, абсолютная погрешности и СКО.

Таблица 2

Наименование модели Концентратор-выпариватель (КВ)

1 2

Статическая характеристика СК=С\ С" =5С

Чувствительность, 5 4 ' йС ви-К

Относительная погрешность, д дСк = 5С* 0„ЮН + КбК = , К°-СХ2 60, + , КС»Си 5К = ' 50" дК (Он -К) " {ви-К)2 ~ , КС" ч<5С„+ С'К 8К ((3,-К) в.-к

Продолжение таблицы 2

Абсолютная погрешность, А

еск Л„ дск кс л„ оис д..

АС =—^ДС„ +—-ДА =7-гтД --—г^ДА =

" дО„ " дК (0„-А)- " (б, -А)2

КС. Л^ С

г ДО,, +-6—ДА

С„(С„-А) " С„ - А

СКО. СГ

АС,.

\2

2 I фф сгД +

АС,.

<г„ +

Из (1) и (2) следует, что статическая характеристика разработанных АУПП является линейной, а чувствительность постоянной на всем диапазоне измерений. На рис. 4. представлен график зависимости концентрации ОХВ в экстракте от концентрации анализируемых компонентов в пробе, аппроксимацией которого является уравнение Ск = 0,85С + 0,15, которое качественно согласуется с разработанными математическими моделями, что подтверждает их адекватность.

а

Рис. 4. График зависимости концентрации ОХВ в экстракте от концентрации анализируемых компонентов в пробе: а - теоретический, б - экспериментальный (концентрирование в 50 раз)

мг/мл 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

На рис. 5. представлены зависимости 5 и Л от начальной концентрации определяемых компонентов в пробе.

а 6

Рис. 5. Зависимости a - S иб-Дот начальной концентрации определяемых компонентов в пробе

Из анализа математических моделей погрешностей разработанных АУПП следует, что доминирующей является мультипликативная составляющая.

Третья глава посвящена созданию автоматизированных устройств подготовки проб к анализу в химико-аналитической лаборатории последовательно выполняемыми методами жидкостной экстракции и концентрирования.

Установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу с использованием методов математического моделирования, для использования при разработке автоматизированных устройств. Разработаны опытные образцы АУПП. Проведен выбор оптимальных параметров.

В результате проведенных исследований выявлены параметры и условия работы жидкостного экстрактора.

Ъжэ =л Vnp/Vp, N, Т, /, DJDulH, рН) -> optimum, (3)

где N - число оборотов мешалки; Т - шаг навивки шнека; t3 -время экстракции; DJDmH - отношение внутреннего диаметра экстракционного стакана к диаметру шнека.

На рис. 6. представлены графики зависимостей степени извлечения от числа оборотов шнека в экстракторе-сепараторе для жидких проб и времени экстракции.

к.% 100

-х

>1 1>-

/

л,% 100

х,

700 900)100 1200

об/мин 0 1 1 3 4 5

а б

Рис. 6. Графики зависимостей степени извлечения: а - от числа оборотов шнека и б - от времени экстракции В результате проведённых исследований приняты следующие параметры аппарата: шаг навивки шнека Т = 16 мм, £)„„/Д„„ = = 1,3, ¿У- 1200 об/мин, время экстракции 5 минут.

В четвёртой главе проведена экспериментальная оценка АУПП, разработанных в результате проведенных исследований.

На рис. 7 представлен внешний вид автоматизированных устройств подготовки проб к анализу АУПП.

а б в

Рис. 7. Внешний вид автоматизированных устройств подготовки проб к анализу АУПП: а - жидкостной экстрактор-сепаратор; б — жидкостной экстрактор-сепаратор для твердых проб;

в - концентратор-выпариватель Основные технические характеристики АУПП приведены в табл.3.

Таблица 3

Наименование характеристики* ЖЭС жэстп КВ

Габаритные размеры, не более, мм' 270x240x370 310x280x350 300x210x340

Потребляемая мощность, не более, Вт 50 50 150-250

Напряжение питания, В 220 220 220

Время экстрагирования (выпаривания) рекомендуемое, использование таймера, мин 5 5 3-5

Температура экстрагирования (выпаривания), °С 20-24 20-24 60

Объем отбираемого экстракта (концентрата), мл 10-200 10-200 0,1-0,5

Объем обрабатываемых проб (экстрактов) 5-300 мл 10 - 200 мг 5 - 50 мл

Коэффициент извлечения Я (концентрирования I) до 98 % до 98 % 50-500 раз

Число оборотов шнека, об/мин 0-1200 - -

Число оборотов экстракционного стакана в режиме сепарации, об/мин до 250 до 250

* в скобках приведено наименование характеристики для концен-тратора-выпаривателя

Результаты сравнительной оценки разработанных АУПП с существующими устройствами и ручным способом представлены в табл. 4.

Таблица 4

Наименование характеристики Ручной способ Существующие устройства Разработанные АУПП

Коэффициент извлечения /?, % до 70 до 90 до 99

Время пробоподго-товки г, мин 10-15 5-7 3-5

Погрешность, % до 35 до 5 до 2

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, к химическому анализу.

2. Обоснованы направления создания перспективных АУПП.

3. Разработан универсальный алгоритм пробоподготовки, применимый при возникновении ЧС в условиях отсутствия информации о составе анализируемых компонентов пробы.

4. Разработаны математические модели АУПП и их погрешностей.

5. Установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, для использования при разработке АУПП и выбраны их оптимальные значения.

6. Разработана методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, проведена её экспериментальная оценка.

7. В результате совершенствования и автоматизации пробоподготовки достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабилизации и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС.

8. В ходе проведённых исследований разработаны опытные образцы АУПП, а используемые в них технические решения защищены патентами РФ на изобретение: жидкостной экстрактор-сепаратор (патент РФ № 2275225), концентратор-выпариватель (патент РФ № 2275243).

9. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в ФГУП «86 ЦКБ» МО РФ при выполнении ОКР «Разработка комплекта устройств подготовки проб», «Разработка машины химической разведки» и в учебном процессе.

Список работ, в которых отражены основные результаты:

1. Универсальный алгоритм проведения подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Экологические системы и приборы, №6, 2011, - с. 22 - 26.

2. Автоматизация подготовки проб компонентов природной среды. /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Экологические системы и приборы, №6, 2011, - с. 26 - 30.

3. Подготовка проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ. /К.П.Латышенко,

A.А.Миронов/ Мир измерений, №3, 2012, - с. 17 - 23.

4. Патент РФ на изобретение № 2275243 «Концентратор-выпариватель» / С.Н.Гришин, Д.В.Сорвин, А.А.Миронов,

B.А.Пашинин/.

5. Патент РФ на изобретение № 2275225 «Экстрактор-сепаратор» / С.Н.Гришин, Д.В.Сорвин, А.А.Миронов, В.А.Пашинин/.

6. Универсальный алгоритм и автоматизация проведения подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Сб. трудов V Международная конференция «Экологические системы, приборы и чистые технологии» - М.: ЭСиП, 2011, - с. 45.

7. Совершенствование и автоматизация подготовки проб к химическому анализу при возникновении чрезвычайных ситуаций /А.А.Миронов/ Сборник трудов научной конференции студентов и молодых учёных МГУИЭ - М.: МГУИЭ, 2011, - с. 102 - 108.

8. Проведение подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ /С.В.Новиков, А.А.Миронов/ Сборник трудов научной конференции «Экологические проблемы при эксплуатации, хранении и утилизации В и ВТ» - М.: ЭЦ МО РФ, 2007, - с. 87.

9. Методические указания к лабораторной работе «Автономная машина подготовки проб АМПП» / В.А.Пашинин, А.А.Миронов и др./- М.: ВУ РХБЗ, 2000, - 89 с.

Форм.бум. 60x84 1/16. Объём 0,93 усл. п. л. Уч.-изд. л. 1,0. Печать - ризограф. Тираж 100 экз. МГУИЭ, издательский центр 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

61 12-5/2177

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный университет инженерной экологии

На правах рукописи

МИРОНОВ АНДРЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОБ К ХИМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий» Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Латышенко Константин Павлович Научный консультант: Доктор технических наук, доцент

Черткова Елена Александровна

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................5

Глава 1. Анализ и пути совершенствования существующих

методик и аппаратурного оформления подготовки проб

к химическому анализу...................................................................12

1.1. Предварительное обследование проб грунта и воды,

отобранных в месте возникновения ЧС, к химическому анализу и принятие решения о проведении углублённого

лабораторного исследования...........................................................12

1.2. Обзор методов подготовки проб к химическому анализу .................20

1.2.1. Жидкостно-жидкостная экстракция............................................21

1.2.2. Статический и динамический парофазный анализ..........................39

1.2.3. Твердофазная экстракция.........................................................41

1.3 Аппаратурное оформление и автоматизация процессов подготовки проб в отечественных и зарубежных аналитических лабораторях.......................42

1.4 Пути создания перспективных унифицированных устройств подготовки

проб к химическому анализу............................................................49

Выводы к первой главе .................................................................53

Глава 2. Разработка универсального алгоритма пробоподготовки и его автоматизация........................................................................55

2.1 Алгоритм подготовки проб неизвестного состава..............................55

2.1.1 Подготовка проб почвы............................................................55

2.1.2 Подготовка водных проб..........................................................58

2.1.3 Подготовка проб воздуха..........................................................59

2.1.4 Использование универсального алгоритма подготовки

проб к химическому анализу............................................................60

2.2 Автоматизация методов подготовки проб к химическому

анализу для реализации в универсальном алгоритме..............................62

2.2.1 Направления исследований в области автоматизации методов.........62

2.2.2 Автоматизация процесса выпаривания........................................63

2.2.3 Автоматизация процесса фильтрования и

центробежного фильтрования.........................................................67

2.2.4 Автоматизация процесса перемешивания в жидкой фазе.................76

2.3 Статистический анализ схем блока подготовки

проб к химическому анализу..........................................................83

2.4 Разработка схем и математических моделей работы АУПП на основе

методов жидкостной экстракции и концентрирования...........................86

Выводы к второй главе..................................................................93

Глава 3. Исследования по созданию автоматизированных устройств подготовки жидких и твердых проб к химическому анализу на основе методов жидкостной экстракции и концентрирования...........................95

3.1 Разработка экстрактора-сепаратора для жидких и твердых проб.........95

3.2 Совершенствование устройств и методов

концентрирования микропримесей ОХВ...........................................112

Выводы к третьей главе.................................................................118

Глава 4. Разработка и экспериментальная оценка методики подготовки проб к химическому анализу с использованием универсального алгоритма и АУПП.......................................................................................119

4.1 Разработка методики пробоподготовки, позволяющей проводить химический анализ жидких и твердых проб на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС.........................................................119

4.2 Экспериментальная оценка разработанной методики подготовки

проб к химическому анализу, основанной на использовании созданных

универсального алгоритма и АУПП............................................... 129

Выводы к четвертой главе............................................................134

Заключение.............................................................................. 135

Список использованной литературы................................................137

Приложение А Универсальный алгоритм подготовки проб к химическому анализу компонентов природной среды............................................150

Приложение Б Патенты на изобретения.............................................151

Приложение В Публикации по теме диссертационной работы................153

Акт реализации научных исследований.............................................155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. С повышением антропогенной нагрузки на природную среду и возникновением чрезвычайных ситуаций техногенного характера, в том числе на опасных химических производствах, возрастает актуальность задачи определения степени загрязнения компонентов этой среды опасными химическими веществами. Своевременное установление содержания загрязняющих веществ в контролируемых средах позволяет принимать адекватные меры по локализации как очагов возникновения чрезвычайной ситуации (ЧС) техногенного характера, так и негативных воздействий на природную среду и здоровье людей.

Проблематичным является проведение контроля содержания загрязнителей компонентов природной среды при так называемых, «нештатных» ЧС, когда неизвестно контролируемое вещество.

В этом случае при использовании современных методик количественного химического анализа опасных химических веществ в компонентах природной среды обязательно предусмотрена стадия подготовки проб к инструментальному измерению. Как правило эта стадия выполняется вручную и требует значительных затрат времени по сравнению с самим инструментальным измерением. Результаты ручных операций зависят от квалификации персонала и напрямую влияют на достоверность результата анализа.

В настоящее время химико-аналитическому контролю в объектах компонентов природной среды подлежит широкий перечень опасных химических веществ, нормативы безопасного содержания которых достигают настолько низких концентраций, что определить их даже современными физико-химическими методами анализа без соответствующей пробоподготовки невозможно. Эти вещества обладают различными физико-химическими свойствами, что не позволяет выработать единый приём для

целевого их извлечения из проб контролируемой среды, концентрирования и, при необходимости, дериватизации. В этой связи представляется перспективным выработка универсального алгоритма проведения подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ.

Такой подход должен носить системный характер, каждая процедура пробоподготовки должна быть направлена на целевое извлечение, концентрирование и перевод в удобную для инструментального анализа форму группы опасных химических веществ, обладающих близкими физико-химическими характеристиками.

Вопросам совершенствования методов подготовки проб к анализу посвящены работы академиков Ю.А. Золотова и В.Г. Хлопина, Н.С. Гришина, В.А. Пашинина, Б.Ф. Мясоедова, Л.Н. Москвина, Б .Я. Спивакова, В.В. Якшина и др., однако нерешённой остаётся задача проведения пробоподготовки при отсутствии информации об анализируемых компонентах пробы в условиях возникновения ЧС.

Перспективным направлением повышения стабильности и скорости выполнения этапа подготовки проб является автоматизация этого процесса.

Повышение достоверности проводимого анализа, производительности химико-аналитических лабораторий, предназначенных для измерения содержания опасных химических веществ в компонентах природной среды при возникновении ЧС, снижение трудоемкости анализа путем совершенствования методов подготовки проб к химическому анализу с автоматизацией данного процесса является актуальной задачей. Работа проводилась в соответствии с паритетными направлениями Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской федерации» (2009-2013г.).

Предмет исследования - методы подготовки проб к химическому анализу.

Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-технической задачи совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения чрезвычайных ситуаций, к химическому анализу.

Основные задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу;

- обосновать направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки;

- разработать универсальный алгоритм подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;

- разработать математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;

- установить факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке автоматизированных устройств и выбрать их оптимальные значения;

- разработать опытные образцы автоматизированных устройств подготовки проб (АУПП) к химическому анализу;

- создать методику подготовки проб к анализу на наличие микропримесей опасных химических веществ (ОХВ) с использованием автоматизации методов;

- провести экспериментальную оценку разработанной методики подготовки проб к анализу с использованием опытных образцов АУПП.

Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач были использованы методы законодательной и прикладной (практической) метрологии, системного анализа, а также методы математического моделирования.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, к химическому анализу.

2. Обоснованы направления создания перспективных АУПП.

3. Разработан универсальный алгоритм пробоподготовки, применимый при возникновении ЧС в условиях отсутствия информации о составе анализируемых компонентов пробы.

4. Разработаны математические модели АУПП и их погрешностей.

5. Установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, для использования при разработке АУПП и выбраны их оптимальные значения.

6. Разработана методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, проведена её экспериментальная оценка.

7. В результате совершенствования и автоматизации пробоподготовки достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабилизации и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС.

8. В ходе проведённых исследований разработаны опытные образцы АУПП, а используемые в них технические решения защищены патентами РФ на изобретение: жидкостной экстрактор-сепаратор (патент РФ № 2275225), концентратор-выпариватель (патент РФ № 2275243).

9. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в ФГУП «86 ЦКБ» МО РФ при выполнении ОКР «Разработка комплекта

устройств подготовки проб», «Разработка машины химической разведки» и в учебном процессе.

Научную новизну работы составляют:

- обоснованные направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки с возможностью их использования в полевых условиях при возникновении ЧС;

- универсальный алгоритм проведения подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;

- математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;

- установленные факторы, влияющие на процесс пробоподготовки, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке автоматизированных устройств, выбранные их оптимальные значения;

- методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС.

Достоверность. Результаты аналитических исследований подтверждаются результатами математического моделирования, физического эксперимента и результатами испытаний.

Практическая ценность работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию и автоматизации методов подготовки проб к химическому анализу при возникновении ЧС:

- установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке АУПП, выбраны их оптимальные значения;

- разработаны опытные образцы экстрактора-сепаратора для жидких и твёрдых проб и концентратора-выпаривателя с возможностью выполнения

последовательно проводимых операций пробоподготовки в месте возникновения ЧС;

- проведена экспериментальная оценка разработанной методики подготовки проб к анализу на наличие микропримесей ОХВ с использованием опытных образцов АУПП;

- достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабильности и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС.

С помощью разработанных АУПП возможна отдельная обработка каждой пробы, применение в качестве экстрагентов различных растворителей. Особенностью разработанных АУПП является простота конструкции (лёгкость сборки и разборки, небольшие габариты), небольшое энергопотребление, возможность использования в стационарных и мобильных химико-аналитических лабораториях. Предложенный алгоритм и разработанные АУПП являются инструментом повышения достоверности результатов измерений путём уменьшения погрешностей при пробоподготовке, увеличения производительности химико-аналитической лаборатории. Разработанные АУПП могут быть также использованы для стандартных методик анализа.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ФГУП «86 ЦКБ» МО РФ при выполнении ОКР «Разработка комплекта устройств подготовки проб» и в учебный процесс при выполнении лабораторных работ.

Апробация работы. По теме диссертационной

работы опубликовано девять печатных работ, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК. В результате исследований разработаны опытные образцы АУПП. Данные технические решения защищены патентами РФ на изобретение («Концентратор-выпариватель» № 2275243 и «Экстрактор-сепаратор» № 2275225).

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: V Международная конференция «Экологические системы, приборы и чистые технологии», 2011 г.; конференция ЭЦ МО РФ «Экологические проблемы при эксплуатации, хранении и утилизации В и ВТ», 2007 г.; конференция молодых ученых МГУИЭ, 2011 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 20 рисунков. Список использованных источников включает 125 наименований. Изложены результаты работы за 2000 - 2011 г.г.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК И АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОБ К ХИМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ

В первой главе проведён анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу.

Рассмотрены направления совершенствования существующих и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки.

Определена проблематика и сформулированы основные задачи, решаемые в ходе выполнения работы.

1.1 Предварительное обследование проб грунта и воды, отобранных в месте возникновения ЧС, к химическому анализу и принятие решения о проведении углублённого лабораторного исследования

Наличие большого количества методов качественного анализа, а также необходимость дополнительных операций при анализ