МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В ВОДЕ И ВОДНЫХ РАСТВОРАХ Российский патент 2020 года по МПК G01N21/73 

Изобретение относится к устройствам для экспресс-анализа элементного состава воды и водных растворов на основе эмиссионного спектрального анализа путем сравнения спектрограмм эталонных и исследуемых образцов воды и растворов. Оно обеспечивает высокую точность (вплоть до 1 ppm) результатов вне лабораторных условий, в частности, непосредственно в точках взятия проб для контроля изменений элементного состава в пробах воды при организации системного мониторинга загрязнений водных объектов -рек, озер, водохранилищ, систем централизованного водоснабжения. Также изобретение может быть применено для контроля качества воды в сфере высокотехнологичного производства, включая фармацевтическую, пищевую, химическую промышленность и микроэлектронику.

Известен спектрометр «ПАПУАС-4ДИ» для определения сверхнизких концентраций в сплавах с применением системы автоматической регистрации спектров, при этом возбуждение спектра осуществляется генератором дуги постоянного тока [1] - аналог. Недостатком является невозможность применения аналога вне лабораторных условий и для анализа жидкостей.

Известен другой аналог, в основе которого лежит использование электрического разряда в жидкости, в рамках которого разряд инициируется в области диафрагменного отверстия, выполненного в виде конструкции электролитической ячейки, и осуществляется регистрация возникающих при этом эмиссионных спектров [2]. Разряд инициируют в присутствии токопроводящего элемента, размещенного в электролите в области разряда вблизи диафрагменного отверстия, обеспечивают квазинепрерывный режим поддержания разряда, перед инициированием разряда проводят поляризацию токопроводящего элемента током меньшей величины и регистрируют эмиссионный спектр в начальный момент установления квазинепрерывного режима разряда. Особенностью метода, представленного в качестве этого аналога, является обязательное наличие в жидкости достаточно большой концентрации ионов. При их отсутствии разряд не возникает, поэтому указанный метод может использоваться только для жидкостей, являющихся электролитами, что является существенным недостатком, т.к. снижает возможность применения этого метода, например, для определения состава примесей в питьевой воде. При формировании разряда в жидкости в соответствии с рассматриваемым методом вблизи токопроводящего элемента формируется повышенная концентрация заряженных частиц, ионов, и в излучении формируемого разряда наиболее заметным будет характеристическое излучение именно этих заряженных частиц. Вместе с тем в составе исследуемой жидкости могут присутствовать молекулы и частицы, не имеющие заряда, но интенсивность их характеристического излучения в полученной спектрограмме будет существенно ниже, что искажает картину диагностики элементного состава и понижает чувствительность метода к концентрациям элементов, являющихся составными частями нейтральных соединений анализируемого раствора. Локализация разряда ограничивает объем анализируемого вещества. Цветовая гамма и прозрачность анализируемых жидкостей также существенно искажают спектрограммы и снижает чувствительность этого метода.

Известен способ, в основе которого лежит возбуждение плазмы лазерным излучением с фокусировкой этого излучения на анализируемом веществе, с получением лазерной плазмы с последующей регистрацией спектра излучения и анализом элементного состава вещества [3]. Возбуждение лазерной плазмы осуществляют электронным пучком, при этом используют ускоритель с энергией 100-200 кэВ, длительностью импульса 5 не. Включение лазера, ускорителя и спектроанализатора синхронизировано с помощью специальной системы синхронизации. Способ предполагает формирование вспышки плазмы длительностью не более 15 не, при этом энергия, которую получают элементы анализируемого вещества для возбуждения, весьма незначительна для формирования полноценного возбуждения элементов, присутствующих в анализируемом веществе и являющихся составными частями молекул и структур анализируемого вещества. По этой причине в анализируемом спектре излучения не могут быть визуально и полноценно представлены все линии характеристического излучения, свойственные элементам анализируемого вещества. В способе можно использовать только спектрометры с синхронным накоплением аналитических сигналов, а контролируемая область анализируемого вещества ограничена малым сечением электронного пучка. К недостаткам этого способа следует отнести и то, что при условии неоднородности анализируемого вещества локальный контроль примесей может быть необъективен, а соответствующее устройство не может быть мобильным.

В другом способе анализа элементного состава веществ [4] применяют одноэлектродный высокочастотный плазменный разряд в режиме чередующихся импульсов. При этом в соответствии с направлением газа вдоль, перпендикулярно или навстречу плазмообразующему электроду применяются различные конструкции плазмообразующих устройств. Регистрацию спектров ведут в направлении, зависящем от типа применяемого спектрометра: перпендикулярном указанному сформированному разряду для щелевого спектрометра и параллельно - для диафрагменного спектрометра. Существенным недостатком способа является необходимость наличия газа-носителя, элементы которого под воздействием одноэлектродного плазменного разряда в режиме чередующихся импульсов формируют плазменный разряд, в который вводится исследуемая проба вещества. Газ-носитель имеет собственное излучение, сопровождающееся существенным фоновым излучением, связанным с неконтролируемым поведением элементов газа-носителя и его собственных примесей под воздействием внешнего поля. Такое фоновое излучение препятствует определению полезного сигнала от примесей и элементов исследуемого вещества и существенно снижает чувствительность метода. Уровень фонового излучения плазмы газа-носителя может существенно колебаться в зависимости от изменяющихся внешних условий, связанных с нестабильностью состава газа-носителя, что неизбежно отражается на условиях возбуждения элементов и примесей исследуемого вещества, что также приведет к снижению чувствительности метода и снижению воспроизводимости результатов спектрального анализа микропримесей в исследуемом веществе. Кроме этого, возможности контроля элементного состава, представленного по методу этого аналога, лимитированы наличием самого газа-носителя, хранящегося в баллонах и специальных емкостях, что снижает возможность применения этого метода вне лабораторных условий и препятствует созданию мобильных автономных тест-систем.

В качестве прототипа выбран «Способ определения элементного состава капельных жидкостей» [5] для экспресс-анализа. В способе для возбуждения плазмы применяют дуговой плазменный разряд при атмосферном давлении в присутствии пара или мелкодисперсных капель анализируемой жидкости, которую подают в плазменную горелку для формирования плазменной струи. Напротив плазменной струи размещают либо спектрометр, либо отражающую и фокусирующую оптическую систему для отражения образованного плазмой излучения и его фокусирования на объектив спектрометра. Спектрометр размещают таким образом, чтобы регистрация спектра осуществлялась в зоне максимальной интенсивности излучения плазмы, но без ущерба для его работоспособности. Обработку сигналов спектрограммы осуществляют путем сравнения полученной спектрограммы с эталонной спектрограммой или каким-либо другим способом, включая математическую обработку как цифрового, так и аналогового сигналов спектрограммы. При этом излучение плазмы при анализе элементного состава воды и водных растворов может быть разделено на фоновый и полезный сигналы, причем уровень полезного сигнала близок к 95%.

К недостаткам прототипа следует отнести возбуждение дугового разряда при атмосферном давлении, в то время как в большинстве доступных серийно выпускаемых плазменных электродуговых горелках, наиболее пригодных для мобильного устройства спектрального экспресс-анализа жидкостей, дуга возбуждается внутри коаксиального плазменного узла при повышенном на 2-5 атм. давлении (по сравнению с атмосферным), обусловленном интенсивным парообразованием плазмообразующей жидкости, например, воды в этом узле, с последующим формированием плазменной струи как источника излучения за пределами выходного сопла горелки.

Задачей изобретения является создание мобильного устройства (мобильной тест-системы) для экспресс-диагностики воды и водных растворов на основе сравнения плазменных спектрограмм анализируемых жидкостей, в том числе и используемых в качестве плазмообразующей среды в горелке, со спектрограммой того или иного эталонного раствора или «сверхчистой» воды при одинаковых условиях регистрации спектров, в частности, непосредственно в географической точке местности, в которой осуществляется взятие пробы (при условии наличия источника электропитания в виде генератора или бытовой электросети переменного тока), при этом устройство должно обеспечивать формирование электронного отчета и соответствующей документации с фиксацией момента времени и координат точки взятия и анализа пробы.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является обеспечение:

- регистрируемых значений концентрации щелочных элементов примесей в исследуемый водном растворе с чувствительностью на уровне 1 ppm;

- возможности контроля элементов водорастворимых соединений щелочных и щелочно-земельных металлов в анализируемом водном растворе в диапазоне 200-800 нм;

- регистрации спектра излучения плазменной струи в диапазоне 200-800 нм;

- фокусирования излучения в объектив спектрометра;

- заправки плазменной горелки эталонной пробой воды;

- заправки плазменной горелки тестовой пробой воды;

- сохранение эталонной и тестовой спектрограмм в электронном отчетном документе;

- сравнения тестовой и эталонной спектрограмм;

- длительности регистрации спектрограммы в диапазоне 190-815 нм за один цикл сканирования на предварительно подготовленной тест-системе не более 15 минут, за один цикл сканирования на предварительно подготовленной тест-системе не более 15 минут;

- потребляемой мощности не более 5 кВт от бытовой электросети или электрогенератора.

Указанный технический результат достигается тем, что мобильное устройство (фиг. 1) для определения примеси в воде и водных растворах включает в себя электродуговую плазменную горелку (1), генерирующую на выходе из сопла (2) плазменную струю, корпус (3), расположенную внутри него вентиляционную систему,, спектрометр (4), отражающую и фокусирующую систему, консоль (6), регулируемую платформу (5) для крепления спектрометра, а также отражающей и фокусирующей системы (8), которая фокусирует излучение плазменной струи на объектив (7) спектрометра. Устройство обеспечивает регистрацию спектров водорастворимых соединений щелочных и щелочно-земельных металлов с чувствительностью не менее 1 ppm в диапазоне 190-815 нм, длительность регистрации спектрограмм в диапазоне 190-815 нм за один цикл сканирования составляет не более 15 мин, и обеспечивает сохранение спектрограмм в электронном отчетном документе. Устройство может быть снабжено блоком подключения к автономному электрогенератору переменного тока с напряжением 220 В мощностью до 5 кВт для питания электросистем устройства.

Для обеспечения мобильности корпус устройства может быть снабжен ручками для переноски, петлями и другими устройствами для закрепления на транспортном средстве или автомобильном прицепе. Возможно также закрепление на нижней части бескамерных колесах небольшого диаметра для перемещения по ровной поверхности. Также устройство может быть снабжено теплозащитным кожухом для перевозки в холодное время года. Возможна установка встроенного термометра для контроля температуры внутри устройства.

Устройство функционирует следующим образом.

Горелку устройства приводят в исходное состояние путем промывания деионизованной водой с удельным сопротивлением 18 мОм. до состояния, при котором удельное сопротивление деионизованной воды на выходе сопла горелки (воды после использования для промывки) не менее 2 мОм. Возможно использование дистиллированной воды с удельным сопротивлением 0,007 мОм. В этом случае удельное сопротивление использованной для промывки воды не должно изменяться. После этого горелку продувают атмосферным воздухом для удаления влаги на внутренних поверхностях. Далее заправляют горелку эталонной пробой воды объемом не менее 60 мл и не более 120 мл.

Подают электропитание на вход блока подключения к электросети. Включают устройство. Включают горелку, запуская процесс генерации плазмы с помощью нажатия кнопки на пусковом устройстве горелки. Для стабилизации плазменной струи ожидают не менее 1 минуты.

Последовательно размещают горелку в трех фиксированных положениях относительно объектива спектрометра с помощью регулируемой платформы. С помощью спектрометра определяют положение горелки, при котором в объектив спектрометра попадет максимальный полезный полезный сигнал излучения. Фиксируют горелку в данном положении. При необходимости усиления полезного сигнала излучения применяют отражающую и фокусирующую систему.

Затем производят спектральный анализ излучения плазменной струи. Получают эталонную спектрограмму. Контролируют эталонную спектрограмму на предмет отсутствия посторонних примесей. Сохраняют эталонную спектрограмму в памяти. Выключают горелку. Отключают электропитание устройства.

Эталонную пробу воды сливают из горелки. Однократно промывают горелку анализируемой жидкостью (водой или водным раствором). Продувают горелку атмосферным воздухом для удаления влаги на внутренних поверхностях.

Наполняют резервуар горелки анализируемой пробой воды или водного раствора объемом не менее 60 мл и не более 120 мл. Подают электропитание на вход блока подключения к электросети. Запускают процесс генерации плазмы с помощью нажатия кнопки на пусковом устройстве горелки. Для стабилизации плазменной струи ожидают не менее 1 минуты.

Регистрацию спектрограммы анализируемой пробы осуществляют в условиях, по возможности идентичных условиям регистрации спектрограммы эталонной пробы, включая положение горелки относительно объектива и (при использовании) отражающей и фокусирующей системы. Производят спектральный анализ излучения плазменной струи. Получают анализируемую спектрограмму.

После регистрации спектрограммы анализируемой пробы производят сравнение анализируемой спектрограммы с эталонной. Сравнение может быть визуальным (для контроля идентичности) или с использованием математических методов и компьютерных программ.

Осуществление изобретения

Изобретение реализовано в виде опытного образца так называемой мобильной тест-системы (МТС) массой не более 100 кг и габаритами 2,5×2,5×1,5 м, осуществляющей достижение указанного технического результата. На фиг. 2 и 3 представлены полученные спектрограммы для деионизованной воды и водного раствора NaCl концентрацией 1 ppm.

Источники информации

1. Спектрометр ПАПУАС-4ДИ. http://www.sp-pribor.ru/index.php/products/p4

2. Патент РФ 23268845

3. Патент РФ 2270994

4. Патент РФ 2252412

5. Патент РФ 2655629

Использование: для экспресс-анализа элементного состава воды и водных растворов на основе метода эмиссионного спектрального анализа. Сущность изобретения заключается в том, что мобильное устройство для определения примесей в воде и водных растворах содержит электродуговую плазменную горелку, корпус, расположенную внутри него вентиляционную систему, спектрометр, отражающую и фокусирующую систему, консоль, регулируемую платформу для крепления спектрометра, а также отражающей и фокусирующей системы, при этом горелка парожидкостная с функцией возбуждения дугового разряда во встроенном электродном узле при давлении плазмообразующей среды, превышающем атмосферное давление, снабжена заправочной емкостью для плазмообразующей жидкости, причем плазменная струя, являющаяся источником анализируемого излучения, формируется за пределами выходного сопла плазменной горелки. Технический результат: повышение чувствительности, а также расширение функциональных возможностей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Мобильное устройство для определения примесей в воде и водных растворах, содержащее электродуговую плазменную горелку, корпус, расположенную внутри него вентиляционную систему, спектрометр, отражающую и фокусирующую систему, консоль, регулируемую платформу для крепления спектрометра, а также отражающей и фокусирующей системы, отличающееся тем, что горелка парожидкостная с функцией возбуждения дугового разряда во встроенном электродном узле при давлении плазмообразующей среды, превышающем атмосферное давление, снабжена заправочной емкостью для плазмообразующей жидкости, при этом плазменная струя, являющаяся источником анализируемого излучения, формируется за пределами выходного сопла плазменной горелки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено блоком подключения к бытовой электросети или автономному электрогенератору переменного тока с напряжением 220 В мощностью не выше 5 кВт.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус снабжен на днище колесами для его перемещения, а для погрузки-выгрузки на транспортное средство и транспортировки снабжен петлями и ручками на боковых стенках.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в сопле горелки предусмотрено отверстие для ввода исследуемой жидкости непосредственно в зону возбуждения дуги с помощью трубки.