СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N33/18 G01N31/12 

Область техники

Данное изобретение касается способа определения состава воды и соответствующего устройства для осуществления данного способа.

Заявленное изобретение относится к способу определения содержания в воде вещества, в частности содержания органического углерода и (или) азота, используемого в производственных процессах в фармацевтической промышленности или для определения содержания сбрасываемых предприятиями сточных вод. Сточные воды исследуются на содержание органических ингредиентов (общее содержание органического углерода, общее содержание углерода, общее содержание азота, общее содержание фосфора или другие параметры).

Предшествующий уровень техники

Известно, что для определения количества содержания в воде определенных веществ и, таким образом, качества самой воды, ее образец выпаривают и сжигают в присутствии инертного транспортирующего газа, насыщенного кислородом, а образовавшийся продукт сгорания в виде газообразной смеси направляют в детектор, способный регистрировать присутствие в воде углекислого газа, окиси азота и других химических веществ. Хорошо зарекомендовали себя (среди прочих) инфракрасные детекторы для регистрации содержания углерода, специальные хемолюминесцентные детекторы для регистрации содержания азота и так называемые кулонометрические детекторы для регистрации содержания в воде галогенита.

Широкое распространение получили способы определения содержания в воде органических веществ, например так называемого общего содержания органического углерода (ТОС), на основе сгорания образца воды. Обычно небольшое количество воды подается вместе с транспортирующим газом в печь, предварительно нагретую до определенной температуры, в которой эта смесь почти сразу же испаряется и сгорает, а газообразный продукт сгорания направляется в инфракрасный детектор NDIR СО₂. Измеренное им содержание СО₂ служит мерой содержания в образце воды углерода.

Одним из вариантов такого способа и соответствующей аппаратуры являются те, которые указаны в описании к патенту DE 43 44 441 С2. Модифицированная аппаратура для измерения очень низких значений ТОС - например, в очень чистой воде или растворах, используемых в медицинских целях - указана в описании к британскому патенту на изобретение ЕР 0684471 А2.

В этом способе общее содержание органического углерода (ТОС) не определяется автоматически, а определяется общее содержание углерода воды, которое включает в себя не только ТОС, но и количество неорганических углеродных соединений (общее количество неорганического углерода - TIC). Поэтому эти соединения отделяют, чтобы определить общее содержание органического углерода (ТОС) в предшествующем отделению этапе (так называемого выпаривания).

В процессе отделения неорганического углерода путем выпаривания возникает еще одна проблема, заключающаяся в том, что органический углерод, который может быть отделен путем выпаривания или является летучим (РОС или VOC - летучий органический углерод), также удаляется из образца воды. Поэтому в описании изобретения к патенту DE 4309646 А1 предлагается способ и измерительная аппаратура, показанные на рисунке, в котором содержание РОС измеряется отдельно, а с целью получения точных его измерений углеродные соединения, которые также оказались непреднамеренно выпаренными, поглощаются специальным абсорбирующим веществом.

Указанные выше способы измерений и измерительная аппаратура требуют выполнения калибровки через определенные интервалы с использованием калибровочных образцов, содержащих известное количество содержащегося в воде вещества, подлежащего определению, например, для регистрации долговременного изменения в погрешности детекторов, если это имеет место, чтобы можно было компенсировать это изменение путем соответствующих изменений алгоритма оценки. Существуют промышленные способы, в которых калибровку следует выполнять через не слишком продолжительные интервалы, поскольку добавляемая к калибровочным образцам вода должна достаточно точно и надежно соответствовать высокой степени чистоты. Так, например, в фармацевтической промышленности серийная партия продукции, изготовленная с использованием очень чистой воды, должна быть отбракована, если общее содержание в ней органического углерода (ТОС) превышает определенное значение. Если такая неравномерность отмечается в процессе калибровки измерительной аппаратуры, весь объем продукции, полученный после последней ее калибровки, должен быть забракован, что может привести производителя к очень серьезным финансовым потерям.

Чтобы избежать чрезмерно резких сжимающих нагрузок на измерительную аппаратуру в результате детонации в горячей печи, объемы подаваемых в нее образцов воды должны быть очень малыми, что требует применения дозирующих устройств высокой точности. Для указанных выше калибровок с образцами воды, содержащими очень небольшое и точно определенное количество содержимого в воде вещества, подлежащего детектированию (так называемые «нулевые водные растворы»), возникает еще одна проблема, а именно: каждое незначительное загрязнение нагревательного сосуда, дозирующего устройства и других используемых устройств может в значительной степени искажать результаты калибровки. Это осложняет ситуацию и без того проблематичную, в которой при нулевых водных концентрациях содержащегося в воде вещества (например, углерода) менее 1 мг/л, точное смешивание калибровочного раствора и, что особенно важно, точная корректировка отличающихся концентраций содержащихся в воде веществ уже является проблемой, поскольку «разбавленная вода» также не является абсолютно чистой.

Кроме того, эти калибровочные процедуры с использованием калибровочных или нулевых водных растворов требуют значительных трудозатрат и привлечения квалифицированного персонала и, более того, они сравнительно в большей степени подвержены помехам со стороны окружающей среды. Их выполнение требует наличия очень чистого помещения в так называемой зоне концентрации, включая соответствующее кондиционирование воздуха, и использования специальной одежды работающим в ней персоналом.

Раскрытие изобретения

Основной технической задачей данного изобретения является предложение недорого способа, подходящего для рутинной работы, который обеспечивает высокую точность измерений при определении содержания в воде конкретных химических веществ и, в частности, общего содержания органического углерода (ТОС) в исключительно чистой воде для использования в фармацевтических процессах, а также соответствующей аппаратуры для выполнения этого способа.

Предлагаемый способ обеспечивается условиями по пункту 1 формулы изобретения, а предлагаемое для его выполнения устройство обеспечивается характеристиками по пункту 8 формулы изобретения.

Данное изобретение в части способа основано на принципе коренного отхода от предшествующей практики измерений и отказа от применения калибровки с использованием образца в том же агрегатном состоянии, что и измеренный образец - то есть не с использованием калибровочного или нулевого водяного раствора, а с использованием калибровочного газа. Этот принцип основан на том, что такой калибровочный газ также может смешиваться с предопределенным объемом содержащегося в воде вещества, подлежащего детектированию в испытуемом образце воды (например, углерода). Кроме того, данное изобретение основывается на предположении, что такой калибровочный газ с точно определенным количеством введенных присадок можно получить достаточно легко и при низких затратах с использованием известных технологий и его можно широко использовать без риска воздействия окружающих условий.

Данное изобретение обеспечивает значительные преимущества, особенно в промышленных процессах, в которых требуется наличие очень чистой воды с очень низкими и строго ограниченными концентрациями в воде конкретных химических веществ; к его преимуществам относится сравнительная простота использования предлагаемого способа, позволяющая выполнять калибровки через короткие интервалы без необходимости применения комплексных мер для защиты от воздействий окружающих условий (наличия очень чистых условий в рабочих помещениях, специальной одежды для персонала и поведения с его стороны, а также использования квалифицированного персонала для выполнения измерений). Газообразные калибровочные образцы после внедрения предложенного способа также становятся доступными при низких затратах.

В одном из наиболее предпочтительных вариантов предлагаемого способа калибровочный газ с заранее определенным содержанием СО₂ используется для определения общего содержания органического углерода (ТОС) в измеренных образцах. Применение этого способа особенно важно для фармацевтической промышленности, в которой очень чистая вода со строго ограниченным содержанием органического углерода должна использоваться во многих технологических процессах, а продукты, изготовленные с использованием воды с высоким общим содержанием органического углерода, должны отбраковываться.

В другом предпочтительном варианте для осуществления данного изобретения заранее определенный объем калибровочного газа подается при атмосферном давлении или при его компенсации в емкость, в качестве которой может служить, например, секция шланга; после заполнения такой емкости калибровочным газом он переносится далее потоком транспортирующего газа. Причем известные петлевые процессы и аппаратура, в которых измеряемые образцы сначала собираются в соответствующей емкости (секции шланга, например), а затем поступают в печь сгорания, улучшены данным изобретением, что позволяет достичь желаемых преимуществ. В еще одном варианте осуществления данного изобретения планируется подавать калибровочный газ в сосуд сгорания несколько раз в пределах калибровочной процедуры, причем каждый раз регистрировать содержание химического вещества в воде детектором. Тем самым становится возможным обеспечить соответствие стандартным требованиям к калибровке, что позволяет обеспечить статистическую оценку в нескольких контрольных точках процесса. В этом усовершенствованном варианте осуществления данного изобретения калибровка выполняется в несколько этапов с использованием большого числа различных калибровочных газов, содержащих различное, предопределенное количество подлежащего детектированию вещества. Это позволяет создать простой, быстрый и менее зависимый от внешних воздействий способ калибровки (известный сам по себе и указанный в нормах DIN и британских стандартах) при использовании не менее пяти точек концентрации на прямолинейном графике.

В соответствии с данным изобретением оценка калибровочных измерений учитывает зону под измеренным пиковым значением сигнала на детекторе, которая интегрируется и градуируется с учетом заранее определенного содержания измеряемого элемента в калибровочном газе. В частности, она градуируется с использованием определенного поправочного коэффициента.

Используемое в данном изобретении устройство соответствует реализации предлагаемого способа калибровки. Калибровочные газы поставляются в промышленной таре, то есть в широко известных на практике баллонах со сжатым газом. В петлевом варианте измерительной аппаратуры, по крайней мере, один такой баллон может быть подсоединен к определенной секции шланга на входе в нагревательный сосуд (печь сгорания); для реализации указанной выше многоточечной калибровки предпочтительно подсоединять несколько газовых баллонов с различной газовой концентрацией [измеряемой в ppm (частей на миллион), ppw (массовых частей на миллион)] содержимого в воде вещества. Газовые баллоны можно легко подсоединять с помощью обычных запорных клапанов или запорных вентилей газовых баллонов и редукторов в сочетании с многопутевыми клапанами на конце измерительного аппаратурного оборудования.

Еще в одном варианте использования изобретения для определения общего содержания органического углерода (ТОС) в технологической воде (исключительно чистой воде) используются баллоны с калибровочным газом, содержащим определенную концентрацию СО₂ в исключительно чистом N₂ (газообразном азоте) или в исключительно чистом воздухе. Само собой разумеется, что для определения в воде других химических веществ должен использоваться калибровочный газ другого состава.

Другие преимущества и особенности данного изобретения будут ясны из формулы изобретения и последующего описания со ссылкой на схему.

На приведенном ниже единственном чертеже показано соответствующее данному изобретению схематическое изображение устройства в начальном рабочем состоянии.

На чертеже показана измерительная аппаратура 1 для определения общего содержания органического углерода (ТОС) в образце технологической воды. Ее основными элементами являются термический реактор 3 для термического разделения на составные части образцов технологической воды и инфракрасный детектор 5 для регистрации содержания СО₂ в продуктах реакции на выходе из реактора 3 и тем самым для (косвенного) определения общего содержания органического углерода (ТОС) в образцах 7 воды. Образцы 7 воды сначала проходят устройство подачи, включающее в себя, частности, редукционный клапан 9, многопутевой клапан 11 и дозирующий контур 13, и, далее, в процессе измерения, передаются оттуда через устанавливаемые в нужные положения многопутевые клапаны 15, 17, 19 и 21 потоком транспортирующего газа 23 в реактор 3, в котором они резко нагреваются и сгорают. Поток транспортирующего газа 23 направляется через питающий насос 25 и редукционный клапан 29, оснащенный измерителем давления 27 и расходомером 31, и далее через обратные клапаны 33 к первому многоходовому клапану 15.

На выходе из реактора 3 установлен охладитель газа 35 со ступенями 35а, 35b, из которых выходят два потока конденсационной воды 37а, 37b, каждый из которых откачивается насосами 39а, 39b. Реакционный газ обезвоживается и затем проходит через аэрозольный фильтр 41 и кислотную ловушку 43 к измерителю массового выхода 45. Отсюда он, в конечном счете, проходит через воздухоочиститель 47 к инфракрасному детектору 5 и выходит из системы через расходомер 49, расположенный на выходном ее конце.

Вместо образца воды 7, играющего роль измеренного образца, калибровочный газ 51 также может подаваться в реактор потоком транспортирующего газа 23 для выполнения калибровочной операции. На этом конце баллон с калибровочным газом 53 (показан здесь символически) соединяется с многопутевым клапаном. В положении многопутевого клапана 11, в котором его выход соединен с многопутевым клапаном 17, газообразный калибровочный образец 51 поступает в петлевой контур вместо жидкостного измеренного образца. После заполнения петлевого контура, по аналогии с обычным измерительным процессом, калибровочный образец может подаваться в реактор посредством установки в соответствующее положение многопутевых клапанов 15, 17, 19 и 21. В реакторе этот образец трансформируется таким же образом, как и измеренный образец, и результат регистрации инфракрасным детектором 5 оценивается с помощью оценочной программы, разработанной для оценки газообразного калибровочного образца. В результате оценки калибровочного измерения оценочная программа для измеренного образца также может быть изменена с целью компенсации для любого смещения нулевой линии или аналогичного состояния, возникающего в данный конкретный момент. Это обеспечивает постоянную точность детектирования общего содержания органического углерода (ТОС) в образце воды с помощью измерительной аппаратуры 1.

Способ определения содержания в воде вещества, в частности органического углерода и (или) азота, в соответствии с которым жидкий образец выпаривают и сжигают в нагревательном сосуде (печи), продукт сгорания переносят потоком транспортирующего газа в детектор для определения концентрации газообразного соединения содержимого в воде вещества; при этом для обеспечения точности определения выполняют калибровку с предопределенным количеством калибровочного газа, содержащего предопределенную концентрацию элемента, соответствующего содержащемуся в воде веществу, в частности углероду и/или азоту, причем предопределенный объем калибровочного обеспечивают заполнением емкости с известным объемом при атмосферном давлении или компенсации давления, в котором поток транспортирующего газа возникает после заполнения емкости калибровочным газом.

Устройство для реализации способа по одному из предшествующих пунктов, содержащее подающее устройство измеренного образца, нагревательный сосуд, источник транспортирующего (несущего) газа, детектор на выходе из нагревательного сосуда и поточную линию, соединяющую вход нагревательного сосуда с источником транспортирующего газа, к которому подсоединено или может быть подсоединено и закреплено устройство подачи измеренного образца, при этом в поточную линию транспортировочного газа интегрирован или подлежит интегрированию, по крайней мере, один резервуар калибровочного газа.

Реализация данного изобретения не ограничивается данным вариантом и может использоваться в большом числе других различных вариантов с использованием конкретного измерительного оборудования, как для определения содержащихся в воде химических веществ, так и для детектирования используемых газообразных калибровочных образцов.

Завленная группа изобретений относится к анализу воды с целью оценки ее загрязненности. Представлен способ определения содержания в воде вещества, в частности содержания органического углерода и (или) азота, в котором образец воды выпаривается и сгорает в нагревательном сосуде (печи), а продукт сгорания передается потоком транспортирующего газа на детектор для определения концентрации газообразного соединения содержимого в воде вещества; способ, в котором калибровка выполняется с предопределенным объемом калибровочного газа, содержащего предопределенную концентрацию элемента, соответствующего содержимому в воде вещества, в частности углерода и (или) азота. Заявленный способ реализуется с помощью устройства, содержащего подающее устройство измеренного образца, нагревательный сосуд, источник транспортирующего (несущего) газа, детектор на выходе из нагревательного сосуда и поточную линию, соединяющую вход нагревательного сосуда с источником транспортирующего газа, к которому подсоединено или может быть подсоединено и закреплено устройство подачи измеренного образца; при этом в поточную линию транспортировочного газа интегрирован или подлежит интегрированию, по крайней мере, один резервуар калибровочного газа. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения содержания в воде вещества, в частности органического углерода и (или) азота, в соответствии с которым жидкий образец выпаривают и сжигают в нагревательном сосуде (печи), продукт сгорания переносят потоком транспортирующего газа в детектор для определения концентрации газообразного соединения содержимого в воде вещества; при этом для обеспечения точности определения выполняют калибровку с предопределенным количеством калибровочного газа, содержащего предопределенную концентрацию элемента, соответствующего содержащемуся в воде веществу, в частности углероду и/или азоту, причем предопределенный объем калибровочного газа обеспечивают заполнением емкости с известным объемом при атмосферном давлении или компенсации давления, в котором поток транспортирующего газа возникает при заполнении емкости калибровочным газом.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения общего количества органического углерода (ТОС) в измеренных образцах используют калибровочный газ с предопределенным содержанием CO₂.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предопределенный объем калибровочного газа обеспечивают заполнением секции шланга.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пределах калибровочной процедуры калибровочный газ подается несколько раз в сосуд сгорания, причем каждый раз выполняется регистрация детектором содержащегося в воде вещества.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что зона под измеренным сигнальным пиком детектора интегрируется и градуируется на предопределенное содержание указанного элемента в калибровочном газе.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для градуировки используется определенный поправочный коэффициент.7. Способ по пп.4-6, в котором калибровка выполняется в несколько этапов с использованием различных калибровочных газов, содержащих различные предопределенные количества элемента, подлежащего детектированию.8. Устройство для реализации способа по одному из предшествующих пунктов, содержащее подающее устройство измеренного образца, нагревательный сосуд, источник транспортирующего (несущего) газа, детектор на выходе из нагревательного сосуда и поточную линию, соединяющую вход нагревательного сосуда с источником транспортирующего газа, к которому подсоединено или может быть подсоединено и закреплено устройство подачи измеренного образца; при этом в поточную линию транспортировочного газа интегрирован или подлежит интегрированию, по крайней мере, один резервуар калибровочного газа.9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что, по крайней мере, один газовый баллон с калибровочным газом, в частности калибровочным газом с предопределенной концентрацией CO₂, подсоединен в запираемом положении к поточной линии транспортировочного газа.10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что газовый баллон может подсоединяться к секции шланга предопределенного объема, которая составляет одну секцию поточной линии транспортировочного газа.11. Устройство по пп.9 и 10, отличающееся тем, что несколько газовых баллонов с калибровочным газом различной концентрации могут подсоединяться к поточной линии транспортировочного газа с возможностью индивидуального изолирования от нее.