Автоматизированный способ определения формальдегида Российский патент 2022 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для автоматического высокомобильного экологического мониторинга атмосферного воздуха, жилых и производственных объектов (зданий и сооружений), сточных вод, материалов (например, ДСП, МДФ) на предмет определения в них содержания формальдегида с использованием малогабаритного спектроанализатора.

Изобретение позволяет определять содержание формальдегида автоматизированным способом для последующего анализа полученной информации в режиме онлайн.

Очень важно контролировать содержание формальдегида в воздухе, воде, а также в твердых материалах, содержащих фенолформальдегидные смолы. Санитарно-химический контроль состояния воздуха, воды, твердых материалов является сложной химико-аналитической задачей, так как анализируемые системы имеют многокомпонентный состав, а определяемые концентрации находятся на уровне, который может быть 10^–6 и ниже %. Так максимальная разовая величина ПДК формальдегида составляет 0,05 мг/м³, среднесуточные значения ПДК - 0,01 мг/м³ (СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания"). Данному веществу присвоен первый класс опасности (ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»). Требования к чувствительности и точности анализа очень высоки.

Из уровня техники известно, что для определения формальдегида в клееных материалах существуют два подхода к измерению эмиссии формальдегида в готовой продукции. Первый основан на экстракции этого вещества из контрольных образцов. Второй базируется на оценке концентрации формальдегида в атмосфере вокруг образца (http://www.derewo.ru/derewo_jornal_pdf/2011/plity1-one-page.pdf). И тот, и другой предполагают финальное определение формальдегида в газовой фазе. При определении формальдегида в газовой фазе в большинстве методах анализа формальдегид растворяют в дистиллированной воде и проводят определение формальдегида в растворе, кроме методов газохроматографии и сенсорного определения.

Известно газохроматографическое определение формальдегида с использованием различных детекторов. Однако при низкой концентрации хроматографические пики формальдегида плохо разрешимы и чувствительность газохроматографического определения формальдегида невелика. Еще одним способом реализации является метанирование формальдегида путем восстановления водородом и косвенное определение в виде метана. В последние годы предпринимаются попытки автоматизации данного процесса и определения в режиме, приближенном к онлайн (1 раз в 30-40 минут). Однако этот метод дает неактуальные результаты, труден в реализации и требует дорогостоящего оборудования (ГОСТ Р ИСО 16000-4–2007 «Воздух замкнутых помещений. Часть 4. Определение формальдегида. Метод диффузионного отбора проб»).

Известны из уровня техники сенсоры, позволяющие определять формальдегид в газовой фазе без перевода в раствор в онлайн режиме. Однако они позволяют проводить определение при высоких концентрациях формальдегида, диапазон измерения до 10 мг/м³ (http://rosensor.com/ch2o). Существуют более новые чувствительные разработки на основе нанокристаллических полупроводниковых оксидов по патенту RU 2723161. Высокое энергопотребление газовых сенсоров является основным ограничением для их применения в автономных и переносных газоанализаторах.

Недостатком является высокая рабочая температура полупроводниковых газовых сенсоров, что приводит к деградации микроструктуры нанокристаллических полупроводниковых оксидов, нестабильности базового сопротивления чувствительного слоя сенсора и, как следствие, к необходимости периодического проведения сложной процедуры калибровки сенсоров.

Наиболее информативным способом определения формальдегида является жидкостная высокоэффективная хроматография. Определение формальдегида в водной фазе основано на реакции формальдегида с 2,4-динитрофенилгидразином (2,4-ДНФГ) («Методы анализа формальдегида» авторов Третьяков В.Ф., Талышинский Р.М., Илолов А.М., Голубева И.А., Ковалева Н.И., Французова Н.А., Якимова М.С., Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2008. Т. 3. № 6. С. 3-13). При этом из воздуха ФА обычно адсорбируют на силикагеле, на который нанесен 22,4 -ДНФГ. При наличии в исследуемой смеси других веществ, способных реагировать с 2,4 -ДНФГ, таких как озон или диоксид азота, можно использовать другие реагенты.

Недостатком данного способа определения является высокая стоимость оборудования, сложный пробоотбор и пробоподготовка, трудоемкость процесса, необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов, невозможность автоматизации процесса и определения в режиме реального времени.

Существуют различные спектрофотометрические (РД 52.04.824-2015 «Массовая концентрация формальдегида в пробах атмосферного воздуха. Методика измерений фотометрическим методом с фенилгидразином», МУК 4.1.2469-09 «Измерение массовых концентраций формальдегида в воздухе рабочей зоны фотометрическим методом») и спектрофлуориметрические способы определения формальдегида (М 02-02-2005 «Методика выполнения измерений массовой концентрации формальдегида в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе населенных мест флуориметрическим методом на анализаторе жидкости 'Флюорат-02'», NASH T. The colorimetric estimation of formaldehyde by means of the Hantzsch reaction. Biochem J. 1953).

Недостатком данных способов является невозможность автоматизации процесса определения формальдегида в режиме реального времени, а также необходимость использования крупногабаритных приборов, что затрудняет определение формальдегида в мобильных и реальных условиях.

Известны автоматизированные спектрофотометры и спектрофлуориметры, в которых для коммутации потоков пробы и растворов реагентов используются несколько насосов и кранов, при этом образование аналитических форм определяемых веществ происходит при смешении зон пробы и растворов реагентов в процессе их перемещения в потоке носителя через смесительное устройство в детектор. Недостатком является неполное перемешивание реагентов, неполнота протекания реакции и расслоение зон. В результате автоматизированные проточные способы уступают по чувствительности определений своим стационарным аналогам [Мультикоммутационная схема циклического инжекционного анализа применительно к спекрофотометрическому определению никеля, меди и цинка в аэрозолях воздуха К.С. Фульмес, А.В. Булатов, А.Л. Москвин, Л.Н. Москвин, Аналитика и контроль. 2013. Т. 17. № 3, с.326-332].

Существуют автоматизированные способы, которые включают в себя реакционные емкости – смесительные камеры, в которых создаются условия для полного завершения реакции образования аналитических форм, что позволяет обеспечить полноту протекания реакции. Однако недостатком данного способа является появление пузырьков газа, которые образуются при смешении определяемого компонента и реагентов, что уменьшает точность определения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность определения концентраций формальдегида без контроля оператора автоматизированным способом в режиме онлайн с точностью и чувствительностью на уровне стационарных аналогов спектофотометрического и спектрофлуоресцентного определения за счет реализации определения в проточном режиме и обеспечения полноты протекания реакции формальдегида с реагентами и последующей дегазацией.

Указанный технический результат достигается за счет автоматизированного определения формальдегида и состоит в том, что выбирается одна из известных высокочувствительных реакций реагентов с формальдегидом, ведущая к образованию светопоглощающих и флуоресцирующих комплексов. Газообразная проба формальдегида в проточном режиме контактирует с 0,2-0,4% холодным раствором серной кислоты с температурой 5-15 градусов Цельсия для перевода формальдегида из газовой фазы в жидкую. Далее в режиме реального времени в реакционную камеру подаются необходимые реагенты и создаются условия для полного протекания реакции. Затем с помощью дегазатора из образовавшегося раствора удаляются пузырьки газа, и он подается в проточную кювету, при этом для возможности уменьшения габаритов устройств, использующих способ в качестве источника света и монохроматора, используется светодиод, а в случае флуоресценции – монохроматор испускаемого света – миниатюрная призма. На заключительном этапе вся система промывается дистиллированной водой. Для регистрации сигналов и обработки результатов измерений используется специализированное программное обеспечение как показано на Фиг.1.

Предлагаемый способ имеет изобретательский уровень, поскольку обладает новизной и приводит к автоматизации и мобильности уже известных способов определения формальдегида исключительно в лабораторных условиях.

Предлагаемый способ промышленно применим, так как может быть реализован в приборе, который имеет небольшие габариты, может быть использован в мобильных лабораториях и переносных установках с возможностью передачи данных на персональный компьютер и анализа полученных данных, а также для определения источника формальдегида.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для автоматического высокомобильного экологического мониторинга. Автоматизированный способ определения формальдегида заключается в автоматическом определении формальдегида, состоит из одной из известных высокочувствительных реакций комплексов реагентов с формальдегидом, ведущей к образованию светопоглощающих и флуоресцирующих комплексов, где газообразная проба формальдегида в проточном режиме контактирует с 0,2-0,4% холодным раствором серной кислоты с температурой 5-15 °C для перевода формальдегида из газовой фазы в жидкую, и отличается тем, что в режиме реального времени в реакционную камеру подаются необходимые реагенты и создаются условия для полного протекания реакции, а затем с помощью дегазатора из образовавшегося раствора удаляются пузырьки газа и он подается в проточную кювету, при этом для возможности уменьшения габаритов устройств, использующих способ в качестве источника света и монохроматора, используется светодиод, а в случае флуоресценции – монохроматор испускаемого света – миниатюрная призма, далее на заключительном этапе вся система промывается дистиллированной водой, а для регистрации сигналов и обработки результатов измерений подается на специализированное программное обеспечение. Техническим результатом является автоматизация процесса определения концентраций формальдегида без контроля оператора. 1 ил.

Автоматизированный способ определения формальдегида, заключающийся в автоматическом определении формальдегида, состоящий из одной из известных высокочувствительных реакций комплексов реагентов с формальдегидом, ведущей к образованию светопоглощающих и флуоресцирующих комплексов, где газообразная проба формальдегида в проточном режиме контактирует с 0,2-0,4% холодным раствором серной кислоты с температурой 5-15 °C для перевода формальдегида из газовой фазы в жидкую, отличающийся тем, что в режиме реального времени в реакционную камеру подаются необходимые реагенты и создаются условия для полного протекания реакции, а затем с помощью дегазатора из образовавшегося раствора удаляются пузырьки газа и он подается в проточную кювету, при этом для возможности уменьшения габаритов устройств, использующих способ в качестве источника света и монохроматора, используется светодиод, а в случае флуоресценции – монохроматор испускаемого света – миниатюрная призма и далее на заключительном этапе вся система промывается дистиллированной водой, а для регистрации сигналов и обработки результатов измерений подается на специализированное программное обеспечение.