Способ контроля примесей металлов в жидких средах

01 21/67 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРИМЕСЕЙ МЕТАЛЛОВ В ЖИДКИХ СРЕДАХ(73) Патентообладатель Институт молекулярной и(46) 30.09.1998 атомной физики Национальной Академии наук(71) Заявитель Институт молекулярной и атомной Беларусифизики Национальной Академии наук Беларуси(57) Способ контроля примесей металлов в жидких средах, основанный на том, что жидкую среду переводят в аэрозольное состояние, смешивают с газом, смесь подают в разрядную камеру и производят регистрацию интенсивности спектральных линий примесей, отличающийся тем, что в смеси аэрозоля и гелия возбуждают тлеющий разряд при атмосферном давлении, причем соотношение аэрозоля и гелия выбирают не более 11000 при расходе гелия 15 л/мин и напряжении - 32525 В.(56) 1. Высокочастотный индуктивно-связанный плазменный разряд в эмиссионном плазменном разряде. Наука. Ленинград, 1987. 2. А.с. СССР 771478, МПК 01 3/10, 1980. 3. Дмитриев М.Г., Грановский Э.И. Спектрохимическое определение токсичных металлов в окружающей среде и биологических материалах с помощью трехэлектродного плазмотрона // Гигиена и санитария. - 1982.11.-С. 57-59 (прототип). Фиг. 1 Изобретение относится к области эмиссионного спектрального анализа веществ в жидкой фазе и может быть использовано для определения количества примесей металлов в объектах окружающей среды (вода,почва, воздух, биологические материалы). Металлы в связи с их широким распространением в окружающей среде представляют большую угрозу для человека, так как большинство из них относится к первому и второму классам опасности. Известен способ контроля примесей металлов в жидких средах, вводимых в виде аэрозоля растворов совместно с плазмообразующим газом А в горелку, основанный на возбуждении спектров металлов безэлектродным ВЧиндукционным разрядом и определении концентрации элементов по относительной интенсивности аналитических линий и фона 1. Недостатком способа является его сложность,большая потребляемая мощность (3-10 кВт), неоднородность факела и сильная зависимость интенсивностей 2375 1 линий от параметров разряда, что требует при каждом анализе знания пространственных распределений интенсивностей линий по высоте и радиусу факела и выбора линий внутреннего стандарта. Известен также способ анализа газовых гелиевых смесей высокоточным тлеющим разрядом между конусообразным анодом и плоским катодом при атмосферном давлении в потоке гелия 2. Разряд имеет контрагированный положительный столб и отрицательное свечение над поверхностью плоского катода (катодную область) в форме светящегося диска, диаметр которого зависит от величины тока. В качестве источника возбуждения спектров для анализа использовалась область отрицательного свечения. Недостатком способа является то, что он может быть использован только для определения примесей газов в гелии. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, описанный в 3 и состоящий в возбуждении вводимого аэрозоля металлов вместе с плазмообразующим газом А в плазменную струю(положительный столб) дугового разряда между металлическим соплом и вольфрамовым катодом. Недостатком способа является большая потребляемая мощность (до 6 кВт), большой расход плазмообразующего газа А, наличие в спектрах линий материалов электродов и непрерывного фона, снижающих чувствительность анализа, а также сильное влияние растворителей и щелочных элементов на физические процессы и размер плазменной струи, приводящих к изменению интенсивностей аналитических линий, что снижает точность анализа. Задачей предложенного изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет измерения примесей металлов в жидких средах, основанный на возбуждении тлеющего разряда в гелии при атмосферном давлении и регистрации спектральных линий этих примесей, для чего берут растворы, содержащие металлы, переводят их в аэрозольное состояние и совместно с гелием подают в межэлектродное пространство, причем соотношение аэрозоля и гелия выбирают не более 11000 при расходе гелия 15 л/мин, а напряжение на разрядном промежутке анод-катод 32525 В. Способ поясняется с помощью конструкции, приведенной на фиг. 1. В камеру 1 с кварцевыми окнами 2 по газопроводу 4 от баллона с гелием 3 через регулятор расхода газа 10 подают плазмообразующий газ - гелий. Для получения аэрозоля раствора металлов используют ультразвуковой распылитель 7, через камеру которого проходит поток гелия. Полученная смесь аэрозоля и гелия через каналы 8, выполненные в анодном узле, поступает в межэлектродное пространство и выходит через зазоры 9 в катоде. В межэлектродном промежутке между конусообразным анодом 5 и плоским катодом 6 возбуждают тлеющий разряд при атмосферном давлении. Для получения катодного пятна с диаметром 15-20 мм необходимо установление рабочего тока 1,50,1 А напряжения на электродах 32525 В. Указанные параметры разряда - расход анализируемого раствора, расход гелия, напряжение на электродах, ток разряда - определяют устойчивое стационарное горение разряда и получены при изменении каждого из них в отдельности при фиксированных других параметрах. При напряжениях на электродах 300 В разряд становится неустойчивым и гаснет, при напряжениях 350 В возрастает разрядный ток и разряд может переходить в дуговой. Величина тока 1,5 А является оптимальной, так как при меньших токах интенсивность аналитических линий уменьшается, а с увеличением тока растет происходит разогрев катода и возрастание непрерывного фона в спектре. Установлен оптимум и по расходу плазмообразующего газа гелия при расходах меньших 1 л/мин разряд неустойчив и гаснет, при расходах значительно больших 5 л/мин происходит сдувание разряда на край катода. Увеличение расхода анализируемого раствора до 0,5 мл/мин, что соответствует соотношению объемов анализируемого раствора и гелия 11000 для расхода гелия 5 л/мин, приводит к переходу тлеющего разряда в дуговой, при малых расходах падает чувствительность анализа. Пример. Способ контроля примесей металлов в жидких средах основан на эмиссионно-спектральном анализе. Для регистрации спектров используют монохроматор высокого разрешения и систему регистрации с автоматической записью спектров и обработки информации на основе ПЭВМ. В качестве примера рассмотрим случай обнаружения кадмия в воде. Раствор соли кадмия с концентрацией кадмия 50 мг/л с помощью ультразвукового распылителя вводят в камеру и возбуждают тлеющий разряд в атмосфере смеси гелия с парами раствора при следующих параметрах ток разряда 1,5 А, напряжение на разрядном промежутке 325 В, расход гелия 3 л/мин, расход анализируемого раствора 0,03 мл/мин, что соответствует соотношению 110000. Аналитической зоной возбуждения спектров служит отрицательное свечение разряда, спектр которого в заданном интервале длин волн регистрируется. В качестве интенсивностей на выбранных длинах волн используют превышение аналитического сигнала над шумом (фоном) для дистиллированной воды, где концентрация примесей равна нулю. В качестве аналитической линии для кадмия была выбрана линия 479,99 нм. При подаче в разрядную камеру аэрозоля дистиллированной воды на участке спектра 479,8480,2 нм наблюдается лишь фоновый сигнал (фиг. 2, штриховая кривая). Когда же в камеру подается аэрозоль раствора соли кадмия, то в спектре появляется аналитическая линия 479,99 нм (фиг. 2, сплошная кривая), которая и свидетельствует о наличии кадмия в растворе. Количественное определение концентрации металла в воде проводят методом сравнения интенсивности соответствующей аналитической линии элемента в исследуемом растворе с интенсивностью аналитической линии в эталонном растворе, имеющих линейную зависимость интенсивности от концентрации примеси в растворе. В качестве эталонных были использованы государственные стандартные образцы ионов металлов ГСО РМ. Дан 2 2375 1 ным способом авторами были определены примеси тяжелых металлов , , , Са, щелочных К,в водных растворах их солей, при этом диапазон измеряемых концентраций металлов составлял от 1 до 10-5 . Использование предлагаемого способа для экспресс-анализа примесей металлов в жидких средах имеет ряд достоинств. 1. В связи с отсутствием разрушения материала электродов в предлагаемом способе спектр источника содержит только линии, принадлежащие плазмообразующему газу гелию, число которых невелико. Это существенно упрощает машинный анализ по отождествлению спектров вводимых примесей металлов. Отсутствие разрушения электродов приводит к улучшению воспроизводимости анализа, не требует их смены при проведении большого числа анализов,что упрощает и удешевляет анализ. 2. Наличие малых концентраций заряженных частиц ( 1014 см-3) в гелиевой плазме обусловливает малую интенсивность непрерывного спектра, которая в 104 раз меньше, чем в стандартных источниках света для спектрального анализа (дуга, искра, ВЧ-разряд). Это способствует повышению чувствительности анализа за счет возрастания отношения сигнал/фон. 3. Источник света обладает постоянной в пространстве аналитической зоной возбуждения, что упрощает проведение анализа. 4. Потребляемая мощность в рабочем режиме составляет 700 Вт, что на порядок меньше, чем в применяемых аналогичных устройствах. Изобретение может быть использовано для экспресс-анализа примесей металлов при экологическом мониторинге окружающей среды, требующем проведения большого числа анализов и одновременного определения нескольких элементов. Металлы содержатся в большинстве видов промышленных, энергетических и автотранспортных выбросов в атмосферу. Распространение их в объектах окружающей среды фиксирует источники загрязнения и зоны их воздействия. оставитель Л.С. Зайкова Редактор В.Н. Позняк Корректор Т.В. Бабанина Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.