УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ГАЗОВОЙ ЭКСТРАКЦИИ ЛЕТУЧЕГО КОМПОНЕНТА Российский патент 1999 года по МПК G01N30/00 

Изобретение относится к аналитической химии, в частности, к методам парофазного анализа и предназначено для определения летучих компонентов в растворах.

Имеется немало реакций, протекающих в растворе с образованием газообразных продуктов реакции. В возникающей гетерогенной системе устанавливается межфазовое равновесие. Благодаря взаимосвязи между концентрациями компонента в разных равновесных фазах (закон Генри), возможно анализировать жидкую фазу по составу газообразной. Это и является одной из задач методов анализа равновесного пара.

При использовании непрерывной газовой экстракции в потоке газа-экстрагента [1] процедура анализа по существу сводится к следующему.

Осуществляют реакцию образования определяемого летучего компонента. Из газовой фазы над реакционным раствором отдувают его потоком газа-экстрагента в подходящий поглотительный раствор. Затем тем или иным методом измеряют в поглотительном растворе аналитический сигнал.

Для проведения анализа необходимо устройство, состоящее в основном из реакционного барботера (реакционный сосуд, реакционная или перегонная колба и т.п.) и поглотительного барботера (приемник, ловушка и т.п.), соединенных таким образом, что газ-экстрагент входит в реакционный барботер, пробулькивает через реакционную смесь, смешивается с образовавшимся в смеси летучим компонентом, выходит из этого барботера и попадает в поглотительный барботер; пробулькивает через поглотительный раствор, где определяемый летучий компонент задерживается, а свободный газ-экстрагент выходит в атмосферу.

Известно устройство для газовой экстракции, использованное для радиохимического определения галогенов и отделения их от многих элементов [2]. Устройство состоит из четырех последовательно соединенных реакционных барботеров в виде трехгорлых конических колб, в которых газ-экстрагент пробулькивает в реакционную смесь через капилляры, и двух последовательно соединенных поглотительных барботеров в виде цилиндра, в которых газ-экстрагент пробулькивает в поглотительный раствор через трубки небольшого диаметра.

Известно устройство для газовой экстракции, использованное для определения хлора и брома и отделения их от других элементов, содержащихся в вулканических породах [3]. Устройство состоит из одного реакционного барботера в виде шарообразной колбы, в котором газ-экстрагент пробулькивает в реакционную смесь через трубку небольшого диаметра, и двух последовательно соединенных поглотительных барботеров, как и в устройстве [2].

Известно устройство для газовой экстракции, использованное для определения брома и отделения его от хлора и йода [4]. Устройство состоит из 7 одинаковых барботеров U-образной формы. Одно колено каждого из барботеров представляет собой трубку небольшого диаметра, а другое - несколько шаров, жестко соединенных друг с другом. Диаметр шара примерно в 3 раза больше диаметра трубки. Первый из барботеров используют как реакционный, в него вносят исходные реагенты, и в нем образуется летучий компонент. Последующие барботеры используют как поглотительные, в них помещают поглотительные растворы. Обьем раствора, помещаемого в барботер, занимает 1/3-1/2 часть общего объема барботера.

Недостатками известных устройств является сложность форм реакционных барботеров, громоздкость конструкции в целом, неэффективность отдельных барботеров, приводящая к необходимости включения в устройство нескольких реакционных и поглотительных барботеров для получения количественного выхода летучего компонента.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к настоящему изобретению является устройство для непрерывной газовой экстракции летучего компонента, состоящее из реакционного барботера для проведения реакции образования летучего компонента и соединенного с ним поглотительного барботера для поглощения летучего компонента [5]. Оба барботера имеют цилиндрическую форму, ввод газа-экстрагента в них осуществляется через трубку, оканчивающуюся шаром с многими отверстиями малого диаметра. При этом цилиндр реакционного барботера имеет разный диаметр по высоте. В верхней части, где в основном находится газовое пространство, диаметр в 1,5-2 раза больше, чем в нижней части, где находится реакционная смесь. Объем газового пространства над реакционной смесью приблизительно равен объему смеси.

Недостатками этого устройства являются:
- уширение реакционного барботера в верхней части приводит к возникновению "мертвых зон", из которых затруднен отдув образующегося летучего компонента;
- из-за дробления газа-экстрагента на множество мелких пузырей в реакционном барботере возможно обратно растворение летучего компонента в реакционной жидкости;
- цилиндрическая форма поглотительного барботера создает короткий путь прохождения газа-экстрагента через поглотительный раствор.

Таким образом, устройство характеризуется недостаточной полнотой отдува и поглощения летучего компонента. Устройство может быть использовано лишь для таких сверхчувствительных методов анализа, как люминесцентный.

Задачей изобретения является повышение эффективности газовой экстракции, которое позволит использовать непрерывную газовую экстракцию в любых по чувствительности методах анализа.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для непрерывной газовой экстракции летучего компонента, состоящего из реакционного барботера для проведения реакции образования летучего компонента и соединенного с ним поглотительного барботера для поглощения летучего компонента, реакционный барботер выполнен в форме цилиндра, имеющего одинаковый диаметр по высоте, в цилиндре размещено приспособление для ввода газа-экстрагента, выполненное в виде двух концентрически расположенных трубок, поглотительный барботер выполнен U-образной формы: одно колено его представляет собой трубку и служит соединительным звеном с реакционным барботером, а другое колено представляет собой несколько жестко соединенных друг с другом шаров.

Диаметр и высота цилиндра реакционного барботера выбраны из условия: объем газового пространства над реакционным раствором много меньше объема самого раствора. В результате значительно сокращается объем "мертвых зон".

Наружная трубка приспособления для ввода газа-экстрагента имеет в верхней части штуцер для поступления газа-экстрагента в кольцевой зазор между трубками, а нижний конец внутренней трубки закрыт. Это приводит к тому, что газ-экстрагент не раздробленными большими пузырями пробулькивает через реакционный раствор и выносит образующийся летучий компонент из жидкой фазы. В таких пузырях процессы десорбции компонента в газовую фазу преобладают над процессами сорбции его в жидкую фазу. В результате уменьшается обратимое растворение летучего компонента в жидкой фазе и происходит более полный переход его в газовую фазу, чем в прототипе.

В поглотительном барботере U-oбpaзнoй формы при одинаковом объеме поглотительного раствора путь газа-экстрагента длиннее, чем в прототипе. Различная конструкция колен приводит к многократному и резкому изменению диаметра, что способствует более интенсивному дроблению потока газа-экстрагента на мелкие пузыри и более эффективному поглощению компонента, чем в прототипе.

Устройство для непрерывной газовой экстракции летучего компонента поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, а на фиг. 2 - схема приспособления для ввода газа-экстрагента в реакционный барботер.

Реакционный барботер А выполнен в форме цилиндра 1, имеющего одинаковый диаметр по высоте. В верхней части цилиндра перпендикулярно его оси находится выводной штуцер 2. Внутри цилиндра размещено приспособление В для ввода газа-экстрагента, выполненное в виде двух концентрически расположенных трубок: наружной трубки 3 и внутренней трубки 4. Наружная трубка приспособления имеет штуцер 5 для поступления газа-экстрагента в кольцевой зазор 6 между трубками. Нижний конец 7 внутренней трубки закрыт. Поглотительный барботер Б выполнен U-образной формы: одно колено его представляет собой трубку 8 и служит соединительным звеном с реакционным барботером, а другое колено 9 представляет собой несколько жестко соединенных друг с другом шаров. Соединительные элементы 10 могут быть выбраны любой формы и изготовлены из любого инертного материала.

Устройство работает следующим образом.

В поглотительный барботер наливают точно отмеренный объем соответствующего поглотительного раствора. Из реакционного барботера вынимают приспособление для ввода газа-экстрагента и вносят анализируемую пробу в реакционный сосуд. Соединяют реакционный барботер с поглотительным. Добавляют в реакционный сосуд реагенты, вызывающие образование летучего компонента, быстро закрывают его приспособлением для ввода газа-экстрагента и пускают ток газа с определенной постоянной скоростью. При необходимости реакционную смесь нагревают. После завершения экстракции рассоединяют барботеры, отключают ток газа. Далее анализируют поглотительный раствор тем иди другим методом.

Эффективность описываемого устройства оценена при ионометрическом определении бромид-иона в природных водах.

В реакционный барботер высотой 200 мм и диаметром 30 мм помещали 50 мл стандартного раствора, содержащего от 0,1 до 1000 мг/л бромид-иона. Добавляли раствор перманганата калия и нагревали смесь до 90^oC. Образующийся в результате окислительной реакции элементный бром экстрагировали газообразным азотом и поглощали раствором сульфита натрия в поглотительном барботере, имеющим диаметр трубки, равный 6 мм, и диаметр шара - 24 мм. В растворе сульфита натрия бром восстанавливался вновь до бромид-иона. Концентрацию бромид-иона в поглотительном растворе определяли с помощью бромид- селективного электрода.

Для сравнения аналогичные определения были выполнены в устройствах других конструкций.

Опробованы следующие конструкции:
1 - реакционный барботер в виде трехгорлой конической колбы с вводом газа-экстрагента в реакционный раствор через капилляр, поглотительный барботер - из предлагаемого устройства;
2 - устройство по прототипу;
3 - предлагаемое устройство,
4 - предлагаемое устройство с двумя U-образными поглотительными барботерами.

Для определений во всех устройствах в реакционный барботер помещали 50 мл стандартного раствора бромид-иона, в поглотительный барботер - 15 мл раствора сульфита натрия. Экстракцию осуществляли газообразным азотом в течение 30 мин со скоростью 50 мл/мин. Сравнительные данные представлены в таблице (см. в конце описания).

Из таблицы видно, что найденная концентрация бромид-иона наиболее высока и постоянна во всем интервале концентраций при использовании предлагаемого устройства. Включение в устройство дополнительного поглотительного барботера не улучшает результатов определения.

Полученные данные указывают на эффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и другими известными устройствами.

Таким образом, сочетание реакционного барботера цилиндрической формы, имеющего кольцевой зазор для поступления газа-экстрагента с поглотительным барботером U-образной формы, имеющим различную конструкцию колен, позволяет наиболее полно экстрагировать данный летучий компонент.

Предлагаемое устройство успешно использовали также для косвенного определения нитрит-иона в водах, основанного на окислении нитрит-ионом иодид-иона с образованием газообразного иода.

Источники информации:
1. Витенберг А. Г., Иоффе Б.В. Газовая экстракция в хроматографическом анализе. Л.:, Химия, 1982, с.16, 40.

2. Полянский Н.Г. Аналитическая химия бром. М., Наука, 1980, с. 54, ссылка 909.

3. Полянский Н.Г. Аналитическая химия бром. М., Наука, 1980, с. 54, ссылка 866а.

4. Полянский Н.Г. Аналитическая химия бром. М., Наука, 1980, с. 58, ссылка 586.

5. Пилипенко А.Г., Зуй О.В. Химия и технология воды, 1991, т. 13, N 3, с.230.

Использование: аналитическая химия, анализ растворов. Устройство состоит из реакционного барботера для проведения реакции образования летучего компонента и соединенного с ним поглотительного барботера для поглощения летучего компонента. Реакционный барботер выполнен в форме цилиндра, имеющего одинаковый диаметр по высоте. Диаметр и высота цилиндра выбраны из условия объема газового пространства над реакционным раствором много меньше объема самого раствора. Внутри цилиндра размещено приспособление для ввода газа-экстрагента, которое выполнено в виде двух концентрически расположенных трубок: наружной и внутренней. Наружная трубка имеет штуцер для ввода газа-экстрагента в кольцевой зазор между трубками, нижний конец внутренней трубки закрыт. Поглотительный барботер выполнен U-образной формы, одно колено его представляет собой трубку и служит соединительным звеном с реакционным барботером, а другое колено представляет собой несколько последовательно жестко соединенных шаров. Изобретение позволяет наиболее полно экстрагировать летучий компонент. 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Устройство для непрерывной газовой экстракции летучего компонента, состоящее из реакционного барботера для проведения реакции образования летучего компонента и соединенного с ним поглотительного барботера для поглощения летучего компонента, отличающееся тем, что реакционный барботер выполнен в форме цилиндра, имеющего одинаковый диаметр по высоте, в цилиндре размещено приспособление для ввода газа-экстрагента, выполненное в виде двух концентрически расположенных трубок, поглотительный барботер выполнен U-образной формы, одно колено его представляет собой трубку и служит соединительным звеном с реакционным барботером, а другое колено представляет собой несколько жестко соединенных друг с другом шаров. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр и высота цилиндра выбраны из условия: объем газового пространства над реакционным раствором много меньше объема самого раствора. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что наружная трубка приспособления для ввода газа-экстрагента имеет в верхней части штуцер для поступления газа-экстрагента в кольцевой зазор между трубками, а нижний конец внутренней трубки закрыт.