Газоанализатор формальдегида Российский патент 2023 года по МПК G01N21/75 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для количественного химического анализа воздушной среды (воздуха рабочей зоны и атмосферного воздуха населенных мест). Газоанализатор формальдегида представляет собой автоматизированное измерительное устройство, предназначенное для измерения низких концентраций формальдегида в анализируемом газе

Из уровня техники известны сенсоры, направленные на определение формальдегида 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 [1].

Существуют более новые чувствительные разработки на основе нанокристаллических полупроводниковых оксидов, например, газовый сенсор по патенту РФ №2723161 (дата приоритета 06.11.2022). Газовый сенсор для определения паров формальдегида в воздухе включает светоизлучающий диод с длиной волны в диапазоне 470-630 нм, закрепленный над диэлектрической подложкой с нанесенными на нее двумя платиновыми измерительными электродами, на которой между указанными измерительными электродами размещен чувствительный слой. Высокое энергопотребление газовых сенсоров является основным ограничением для их применения в автономных и переносных газоанализаторах. Таким образом, несмотря на то, что определение содержания формальдегида в воздухе производится без перевода формальдегида из газовой фазы в жидкую, 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 частого проведения сложной процедуры калибровки сенсоров.

Наиболее близким по назначению и конструктивному выполнению к заявляемой полезной является анализатор “Флюорат-02”, принимаемый за прототип, который выпускается промышленно [3]. Основными элементами конструкции прототипа являются корпус, в котором расположен измерительный блок, содержащий импульсный источник возбуждающего излучения в виде ксеноновой лампы, держатель кюветы с образцом, в котором происходит возбуждение люминесценции растворенных веществ, в случае определения формальдегида по стандартной методике М 02-02-2005, соединения формальдегида с 1,3-циклогександионом, канал пропускания и канал регистрации, которые служат для преобразования световых сигналов в электрические сигналы, для их пропускания, сравнения и осуществления регистрации сигналов, поступающих от этих приемников, блок контроллера, обеспечивающий выполнение команд, поступающих с клавиатуры, хранение в оперативной памяти значений исходных параметров, контролирующий работу всех систем, управляющий запуском импульсного источника света, обменом данными, выводом данных и сообщений об ошибках на ЖК-дисплей, соединенный с панелью управления, которая служит для выбора режимов работы анализатора, ввода и вывода значений исходных параметров и результатов измерения на ЖК-дисплей.

Основным недостатком известного устройства является невозможность прямого определения формальдегида в газовой фазе. Перед измерением необходимо производить отбор пробы воздуха путем аспирации через поглотительные растворы. Это приводит к увеличению времени анализа и невозможности определения концентраций формальдегида в он-лайн режиме.

Технической задачей предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка и обеспечение возможности определения низких концентраций формальдегида в газовой фазе. Технический результат заключается в прямом определении концентрации формальдегида в газовой фазе.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что газоанализатор формальдегида, включающий расположенный на основании корпус, в котором установлены: измерительный блок, блок контроллера с панелью управления и ЖК-дисплеем, согласно изобретения, измерительный блок, включает расположенные последовательно и соединенные капиллярными трубками отводящий насос, проточную кювету с двумя встроенными фотоприемниками, дегазатор, реактор с нагревательной спиралью; перед проточной кюветой установлен светодиод; реактор измерительного блока снабжен двумя входами; в корпусе дополнительно установлен блок отбора пробы, включающий расположенные последовательно и соединенные капиллярными трубками воздушный насос, воздушный фильтр, регулятор массового расхода воздуха и змеевик-реактор, объединенный с сепаратором, который на выходе соединен с первым входом реактора измерительного блока, а также шланговый насос, соединенный капиллярными трубками с установленными на основании двумя емкостями: одним входом - с емкостью раствора серной кислоты, другим входом - с емкостью реагента для флуоресценции, при этом выход шлангового насоса соединен с входом кассетного переключателя, один выход кассетного переключателя соединен со змеевиком-ректором, а его второй выход соединен со вторым входом реактора измерительного блока.

Существенным отличием от прототипа предлагаемого устройства является то, что анализатор включает блок отбора пробы, содержащий воздушный насос, воздушный фильтр, регулятор массового расхода воздуха, змеевик-реактор, сепаратор, шланговый насос, емкость для раствора серной кислоты, емкость реагента, образующего с формальдегидом флуоресцирующий комплекс, кассетный переключатель, причем в блоке отбора пробы происходит забор воздуха непосредственно из окружающей среды, его последовательная предварительная обработка в указанных элементах устройства, перевод формальдегида из газообразного состояния в раствор, и осуществляются последующие измерения концентрации формальдегида в блоке измерения.

На фиг. изображена принципиальная схема газоанализатора формальдегида.

Основные элементы газоанализатора формальдегида (фиг.), включающие блок отбора пробы, измерительный блок, блок контроллера 17 с панелью управления 18 и ЖК-дисплей 19, установлены в корпусе 1, расположенном на основании.

В блок отбора пробы (фиг.) входят следующие элементы: воздушный насос 2, воздушный фильтр 3, регулятор массового расхода воздуха 4, змеевик-реактор 5, шланговый насос 6, емкость для раствора серной кислоты 7, предназначенного для перевода формальдегида в жидкую фазу, емкость для реагента, образующего с формальдегидом флуоресцирующий комплекс 8, кассетный переключатель 9, сепаратор 10.

Блок отбора пробы включает расположенные последовательно и соединенные друг с другом капиллярными трубками, выполненными из стойкого к воздействию агрессивных сред материала, воздушный насос 2 для забора пробы воздуха, воздушный фильтр 3 для очистки воздуха от взвешенных веществ, регулятор массового расхода воздуха 4 и змеевик-реактор 5. Змеевик-реактор 5 объединен с сепаратором 10, сепаратор 10 соединен на выходе с первым входом реактора 11 измерительного блока для подачи в него полученного в реакторе 5 раствора формальдегида в серной кислоте; реактор 5 соединен на втором входе с кассетным переключателем 9, который соединен на входе со шланговым насосом 6 для подачи раствора серной кислоты или реагента для образования флуоресцирующего комплекса, причем шланговый насос 6 на одном входе соединен с емкостью серной кислоты 7 и на втором входе - с емкостью реагента 8, образующего с формальдегидом флуоресцирующий комплекс; на одном выходе кассетный переключатель 9 соединен со змеевиком-реактором 5 для подачи в него раствора серной кислоты, а на другом выходе - с вторым входом реактора 11 измерительного блока для подачи по капиллярной трубке реагента, с которым формальдегид образует флуоресцирующий комплекс. Емкости 7 и 8 расположены на одном основании с корпусом 1 и соединены со шланговым насосом 6 капиллярными трубками, выполненными из стойкого к воздействию агрессивных сред материала.

В измерительный блок входят: отводящий насос 12, реактор 11, нагревательная спираль 13, дегазатор 14; проточная кювета 15 с двумя встроенными фотоприемниками, светодиод 16;

Измерительный блок включает последовательно расположенные и соединенные между собой капиллярными трубками из стойкого к химическому воздействию материала: отводящий насос 12 - для отвода раствора, содержащего флуоресцирующий комплекс после измерения светового потока, проточную кювету 15, дегазатор 14 и реактор 11 с нагревательной спиралью 13; причем перед проточной кюветой установлен светодиод 16. Проточная кювета 15 снабжена двумя встроенными фотоприемниками для входа возбуждающего потока света со светодиода 16 и выхода флуоресцирующего потока света, направляемого для регистрации в блок контроллера 17.

Блок контроллера 17, содержит преобразователь измерительного сигнала и пакет управляющих программ; он соединен с панелью управления 18, а также с ЖК-дисплеем 19.

Устройство работает при помощи блок контроллера 17, снабженного пакетом управляющих программ, следующим образом. При измерении содержания формальдегида атмосферный воздух или воздух помещений подается в блок отбора пробы насосом 2 со скоростью 1 л/мин (ошибка измерения скорости не должна превышать 1,5%) через воздушный фильтр 3, с помощью регулятора массового расхода 4, затем попадает в змеевик-реактор 5 для перевода формальдегида из газовой фазы в жидкую. Туда же (в змеевик - реактор) по капиллярной трубке из емкости серной кислоты 7 со скоростью 0,3-0,7 мл/мин шланговым насосом 6, регулируемым кассетными переключателями 9, подается раствор серной кислоты. Для получения указанного раствора предварительно 15 мл охлажденной до 10°C концентрированной серной кислоты с концентрацией 95% - 97 % растворяют в 5 л дистиллированной воды, свободной от формальдегида. В змеевике-реакторе 5 проба воздуха и раствор серной кислоты непрерывно контактируют. При этом, в змеевике-реакторе 5 для обеспечения количественного перехода формальдегида из газовой фазы в жидкую (>98%) даже при низком давлении, поддерживается постоянная температура 10°C за счет предварительного охлаждения подаваемого раствора кислоты. В сепараторе 10, встроенном в змеевик-реактор 5, происходит разделение воздуха и раствора формальдегида, далее полученный раствор формальдегида подается в реактор 11 измерительного блока, а воздух выводится из сепаратора 10 по капиллярной трубке наружу. С помощью шлангового насоса 6 через кассетный переключатель 9 в соответствии с управляющей программой блока 17 попеременно подается раствор серной кислоты из емкости 7 для подачи в змеевик-реактор 5 или реагент, образующий с формальдегидом флуоресцирующий комплекс из емкости 8, для подачи в реактор 11 измерительного блока. В реакторе 11 при попадании раствора формальдегида в серной кислоте из сепаратора 10 и реактива для флуоресценции через кассетный переключатель 9 образуется флуоресцирующий раствор, причем в реакторе 11 обеспечивается постоянная (68°С) температура реакции с помощью нагревательной спирали 13. Для исключения пузырьков газа, которые могут образовываться в реакторе 11 и приводить к погрешностям измерения, используется дегазатор 14, через который флуоресцирующий раствор из реактора 11 подается в проточную кювету 15. На проточную кювету 15, снабженную двумя встроенными фотоприемниками для входа возбуждающего потока света со светодиода 16 и выхода флуоресцирующего потока света, через первый фотоприемник подается возбуждающий свет с длиной волны 410 нм. Источником возбуждающего монохромного излучения выступает светодиод 16. Раствор флуоресцирующего комплекса, образованный в реакторе 11, при возбуждении светом светодиода 16 проявляет флуоресценцию. Интенсивность образующегося при флуоресценции светового потока излучения регистрируется вторым фотоприемником, встроенным в кювету 15. Выходящий из второго фотоприемника флуоресцирующий световой поток преобразуется в электрический сигнал, подается в блок контроллера 17, где происходит дальнейшая обработка сигналов для получения результата в виде концентрации формальдегида в воздухе.

Контроллер 17 содержит пакет управляющих программ, которые обеспечивают выполнение команд, поступающих с панели управления 18, хранение в оперативной памяти цифровых значений, контролируют работу всех систем, обеспечивают ввод и вывод значений исходных параметров и результатов измерения на ЖК-дисплей 19.

Таким образом, предлагаемый газоанализатор формальдегида позволяет измерять низкие концентрации формальдегида в газовой фазе и обеспечивает проведение измерений в онлайн режиме.

Пример конкретного исполнения

В качестве реагента, образующего флуоресцирующий комплекс с формальдегидом может использоваться реактив Ганча. Реактив Ганча готовят следующим образом: в 5 литровую стеклянную банку наливают 800 мл холодной дистиллированной воды свободной от формальдегида. Растворить в этой воде 385 г ацетата аммония, добавить 12,5 мл уксусной кислоты и 10 мл ацетилацетона. Залить холодной водой до 5 л. Хранение раствора обязательно в холоде и не допускать попадания формальдегида в бутылку. В реакции с формальдегидом образуется 3,5-диацетил-1,4-дигидролутидин (ДДЛ).

В реакторе обеспечивается постоянная температура 68°С. Раствор ДДЛ при возбуждении светом с длинной волны 410 нм проявляет сильную флуоресценцию с излучением длиной волны равной 510 нм. В качестве светодиода используется УФ-светодиод серии Luxeon Flip Chip UV, обеспечивающий диапазон длины волны 400-410 нм. В качестве проточной кюветы, оснащенной фотоприемниками может быть использована Flow Path Cell, Dual Channel, NRC, FCTN17, Cell Counting Cuvette for Aqueous Samples,

Использованная литература

1. Сенсоры формальдегида http://rosensor.com/ch2o

2. Патент RU 2723161, дата приоритета 06.11.2022. Газочувствительный слой для определения формальдегида в воздухе, сенсор с газочувствительным слоем и детектор для определения формальдегида

3. Анализаторы жидкости люминесцентно-фотометрические «Флюорат-02». Руководство по эксплуатации 35005.00.00.00.00 РЭ

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для количественного химического анализа воздушной среды. Газоанализатор формальдегида включает расположенный на основании корпус, в котором установлены: измерительный блок, блок контроллера с панелью управления и ЖК-дисплеем. Измерительный блок включает расположенные последовательно и соединенные капиллярными трубками отводящий насос, проточную кювету с двумя встроенными фотоприемниками, дегазатор, реактор с нагревательной спиралью, перед проточной кюветой установлен светодиод. Реактор измерительного блока снабжен двумя входами, в корпусе дополнительно установлен блок отбора пробы, включающий расположенные последовательно и соединенные капиллярными трубками воздушный насос, воздушный фильтр, регулятор массового расхода воздуха и змеевик-реактор, объединенный с сепаратором, который на выходе соединен с первым входом реактора измерительного блока, а также шланговый насос, соединенный капиллярными трубками с установленными на основании двумя емкостями: одним входом - с емкостью раствора серной кислоты, другим входом - с емкостью реагента для флуоресценции, при этом выход шлангового насоса соединен с входом кассетного переключателя, один выход кассетного переключателя соединен со змеевиком-ректором, а его второй выход соединен со вторым входом реактора измерительного блока. Техническим результатом является обеспечение возможности определения низких концентраций формальдегида в газовой фазе. 1 ил.

Газоанализатор формальдегида, включающий расположенный на основании корпус, в котором установлены: измерительный блок, блок контроллера с панелью управления и ЖК-дисплеем, отличающийся тем, что измерительный блок включает расположенные последовательно и соединенные капиллярными трубками отводящий насос, проточную кювету с двумя встроенными фотоприемниками, дегазатор, реактор с нагревательной спиралью; перед проточной кюветой установлен светодиод; реактор измерительного блока снабжен двумя входами; в корпусе дополнительно установлен блок отбора пробы, включающий расположенные последовательно и соединенные капиллярными трубками воздушный насос, воздушный фильтр, регулятор массового расхода воздуха и змеевик-реактор, объединенный с сепаратором, который на выходе соединен с первым входом реактора измерительного блока, а также шланговый насос, соединенный капиллярными трубками с установленными на основании двумя емкостями: одним входом - с емкостью раствора серной кислоты, другим входом - с емкостью реагента для флуоресценции, при этом выход шлангового насоса соединен с входом кассетного переключателя, один выход кассетного переключателя соединен со змеевиком-ректором, а его второй выход соединен со вторым входом реактора измерительного блока.