Способ разделения химического вещества и устройство для его осуществления Советский патент 1981 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к физико-химическим способам разделения химического состава вещества и может найти применение в технологии получения чистых веществ, очистки их от примесей, а также при анализе жидких, твердых проб, пыли (аэрозолей) , содержащихся в воздухе или газовой среде, эмиctиoнным, атомноабсорбционным, атомно-флуоресцентным или иным методом.

Известен способ разделения металлов и их окислов при использовании химических транспортных реакций,сущность которого заключается в том, что твердое или жидкое вещество взаимодействует по обратимой реакции с транспортирующим агентом и образует с ним только летучие в данных условиях соединения, разлагающиеся после переноса в другой части системы с измененными условиями равновесия с выделением чистого твердого (или жидкого) вещества. Основными механиз2

мами массопередачи здесь являются диффузионный и конвективный процессы. В технике транспортных реакций чаще всего используются методы хлорирования, фторирования, иодирования. Так, например, большая группа металлов или их окислов реагируют с газообразным хлором при 500-600 С и после образования легколетучих хлорм/JoB и транспорта их в холодную область пространства, осаждаются в виде твердых соединений р .

Недостатком такого способа разделения является необходимость предварительного перевода анализируемых металлов в окислы, а также трудность сочетания процесса разделения и последующего анализа.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ разделения химического состава вещества, заключающийся в нагревании и превращении анализируемой пробы в летучие соединения и фракци3онное разделение на группы элементов. Фракционная дистилляция легколетучих примесей вещества с последующим отделением труднолетучей основы или легколетучей матрицы от труднолетучих примесей, осуществляемые на воздухе или в вакууме при высокой температуре (от 1500-2000с до 3500 ООО С) за счет другого термического нагрева. Эффект фрикционной дистилля ции достигается за смет различия в скоростях испарения компонентов пробы вследствие различий в температурах кипения металлов и их окислов 2. Недостатком этого способа является низкая эффективность разделения атомных паров элементов, поступаюа1их в аналитическую зону, низкая точность и чувствительность определений за счет снижения неселективных помех Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее две коаксиально вставленные друг в друга трубки из газонепроницаемого материала с системами охлаждения, нагрева и подами газовых смесей. Устройство содержит .стержень с полостью, который помещен в кожух из термостойкого газонепроницаемого материала, имеющий прорезь вдоль всего стержня. В этом устройстве диффузия атомов осуществляется только в одном направлении - через прорезь кожуха, что позволяет повысить чувствительность, а также увеличить срок службы атомизатора. Основными недостатками указанного устройства являются невозможность разделения химического состава вещества по элементам или группам элементов (легколетучие, средней летучести и труднолетучие соединения), так как при нагревании атомизатора в аналитическую зону поступают одновре менно атомы.различных элементов. Это приво/ ит к снижению чувствительности и точности определений, вследствие того,что часть атомов не диффундирует через стенки атомизатора из-за невысокого давления атомного пара по отношению к давлению окружающего воз духа. Взаимодействие атомов определяемого элемента с окружающим воздухом приводит к образованию различных соединений (например окислов), что ведет к появлению дополнительных помех и снижению точности измерений. Целью изобретения является повышение эффективности разделения атомных паров элементов, поступающих в аналитическую зону, повышение точности и чувствительности определений за счет снижения неселективных помех. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу разделения химического состава вещества, заключающемуся в нагревании и превращении анализируемой пробы в летучие соединения и фракционное разделение на группы элементов, процесс разделения осуществляют с помощью подогреваемого инертного газа с добавками активного и восстановительного газов, который одновременно пульсирующим потоком подают в трубку с обоих ее концов, причем с одного конца - тяжелый инертный газ например аргон, с добавками активного газа, например хлора, с возрастающей концентрацией от 2 до 10 от общего объема газа, подогретый до 300-600 С, с частотой пульсации 50-100 имп/с, а с другого конца подают легкий инертный газ, например гелий, с добавками восстановительного газа, например водорода, с возрастающей концентрацией от Ц до 20% от общего объема газа, подогретый до температуры на 200-300 С ниже температуры тяжелого инертного газа с последующим их температурным выравниванием, с частотой пульсаций в 2-k раза выше частоты пульсации тяжелого инертного газа. Данный способ может быть осуществлен при помощи устройства, содержащего две коаксиально вставленные друг в друга трубки из газонепроницаемого термостойкого материала с системами охлаждения, нагрева и подачи газовых смесей, причем внутренняя трубка имеет на внешней поверхности винтовую канавку, соединенную по концам с входным и выходным отверстиями. На чертеже схематически представлено устройство для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит трубку 1 из газонепроницаемого термостойкого материала с входным отверстием 2 для поступления атомного пара и смеси газов (от которого берет начало винтовая канавка 3), коаксиально вставленная в трубку из того же материала, которая имеет в конце винтовой канавки выходное отверстие 5 для выхода атомного пара и газов, куда при отбо5. 8

Ipe проб пыли и аэрозолей во избежание подсоса воздуха вставляется пробка (на чертеже не указана). Во внутреннюю полость с обоих концов вставлены заслонки 6 с отверстиямиJ предназначенными для предотвращения потери пробы 7 и сорбента 8. Составленная трубка помещена в графитовые контакты 9, которые, в свою очередь, помещены в электроды 10 с полостями 11 для поступления охлаждающей жидкости. К трубке через отверстия в электродах и графитовых контактах подведены магистрали 12 с вентилями 13, которые открывают при высушивании и озолении пробы, а также при отборе проб пыли и аэрозолей. К магистрали 12 подведены боковые магистрали: магистраль тяжелого инертного газа 14 с вентилем 15,предназначенным для регулирования расхода газа,манометром общего давления 16 и ротаметром 17, измеряющим расход газа, которая подходит к баллону 18 с тяжелым инертным газом, имеющим редуктор 19 для регулирования давления и расхода газа, вентиль 20 и ротаметр 21, а также к баллону 22 с активным гаj3OM, имеющим редуктор 23, вентиль 2 и ротаметр 25, магистраль легкого инертного газа 26 с вентилем 27, манометром общего давления 28 и ротаметром 29 подходит к баллону 30 с легким инертным газом, имеющим редуктор 31, вентиль 32 и ротаметр 33, а также к баллону 3 с восстановительным газом, имеющему редуктор 35, вентиль Зб и ротаметр 37. К магистралям подведены нагревательные устройства 38 для подогрева инертных газов с добавками, которые через реостаты 39 и выключатели 0 соединяются с электрической сетью. Температура нагрева инертных газов контролируется термопарами (на чертеже не указаны). Боковые магистрали снабжены устройствами 41 для создания пульсирующего потока газов с выключателями 42. Электрический нагрев графитовой трубки осуществляется токовым трансформатором 43 с регулировочным реостатом 44 и выключателем 45.

Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.

Предварительно полость составной трубки закрывается со стороны входного отверстия 2 заслонкой 6, затем заполняется на 1/4 - 1/2 длнны ее сор3«

бентом (например порошком графита МПГ-6), после этого трубка наполняется заранее взвешенной навеской пробы 7 (или сорбентом - в случае отбора проб аэрозолей, содержащихся в воздухе или газе) и закрывается второй заслонкой 6. Для подготовки разделения компонентов пробы, после закрепления трубки между графитовыми контактами 9, проводится высушивание и озоление исследуемой пробы при 150250 с, после этого при помощи трансформатора 43 и реостата 44 температура трубки постепенно доводится от 600 до 2800С.

Одновременно с нагревом графитовой трубки подают через боковую магистраль 14 при открытом кране 15 тяжелый инертный газ с добавками активного газа, например хлора, с возрастающей концентрацией в пределах от 2 до 10 от общего объема газа с частотой пульсации 50-100 имп/с и подогретый до 500-600 С под давле- . нием 1114,3-3039 гПа, а через боковую магистраль 26 при открытом кране 27 подают с одинаковым расходом и давлением легкий инертный газ, например гелий, с добавками восстановительного газа, например водорода, с возрастающей концентрацией в пределах от 4 до 20 от общего объема газа с частотой пульсации в 2-4 раза большей, чем тяжелый инертный газ, а также подогретый до температуры на 200-300 С ниже температуры тяжелого инертного газа с последующим уравнением температуры в заключительной стадии процесса разделения. Расход тяжелого инертного газа регулируется в соответствии с взятой для эксперимента навеской исследуемого вещества, а добавка активного газа подается в возрастающей концентрации для улучшения протекания кинетики реакции, обуславливающей полноту взаимодействия с соединениями проб в начальной и заключительной стадиях процесса разделения.

Поступив в трубку, тяжелый инертный газ, выполняя роль транспортного средства, подхватывает и вытесняет . свободные атомы и летучие соединения, образовавшиеся из окислов определенной группы элементов под воздействием добавки и заданной температуры, в пространство трубки, заполненное сорбентом, а пульсирующая подача способствует лучшему прохождению га7зов через пробу и улумшает процесс диффузии. Образование летучих соединений, например хлорирование окислов, протекает по следующей реакции: МеО + +С1 MeCl,2-fO,5 Oj. Летучие соединения и свободные атомы, проходя чере слой сорбента (например порошок графита МПГ-6), испытывают предварительное разделение на определенные группы соединений и элементов и затем продвигаются к входному отверстию 2, в районе которого создается восстановительная среда за счет легкого инертного газа, несущего примеси газа с восстановительными свойствами, У входного от верстия 2 образуется смесь из ле1- кого и тяжелого инертных газов и происходит взаимодействие добавок. Часть добавки восстановительного газа при взаимодействии с активной добавкой образует соединения НС1, а другая часть восстанавливает из лету чих соединений свободные атомы элементов (МеС12+Н2 2НС1+Ме) . После этого образовавшаяся смесь газов, атомных паров и соединений через входное отверстие 2 поступает в винтовую канавку 3, но поскольку температура легкого инертного газа ниже температуры тяжелого инертного газа на 200-300 С,.то вся смесь охлаждает ся и при продвижении ее по винтовой ,канавке труднолетучие элементы и сое динения конденсируются на первых вит ках стенки канавки с последующим их выносом при повышении температуры на грева трубки. При прохождении паров и соединений через центральную, намболее нагретую часть трубки, происходит дополнительное образование сво бодных атомов. Легкий инертный газ поступает с пульсацией в 2-k раза выше, чем тяжелый инертный газ,это приводит к перераспределению скоростей движения свободных атомов и улуч шает кинетику разделения вещества на стенках канавки, что способствует эффективному разделению элементов с близкими физико-химическими свойствами и выносу свободных атомов в ана литическую зону через выходное отверстие 5 в определенной последовательности: легколетучие, среднелету чие, труднолётучие. Использование тяжелого и легкого инертного газов, в свою очередь, также способствует разделению и выно 8 су в аналитическую зону свободных атомов благодаря различию коэффициентов диффузии (согласно кинетической теории, коэффициент диффузии обратно пропорционален корню квадратному из массы атомов и квадрату диаметра молекул газа)- у---.а и, например, в аргоне и гелии он отличается в 3 раза, поэтому для выноса свободных атомов и летучих соединений из разогретой пробы применяется тяжелый инертный- газ, а для более эффективного разделения элементов - легкий инертный газ). Применение предлагаемого способа и устройства для его реализации позволяет осуществлять разделение элементов в пробах различного состава (руды, минералы, аэрозоли, содержащиеся .в воздушной среде или в любом газе и т.д.) для получения чистых веществ в технологии. Кроме этого, важным достоинством способа и устройства является возможность использования для качественного и количественного анализа состава вещества, например экспрессного контроля элементов по времени выхода атомных паров эмиссионным, атомно-абсорбционным, атомно-флуоресцентным и другими методами. По сравнению с известными способами очистки различных материалов предполагаемый способ улучшает качество и контроль их состава, ускоряет процесс анализа, что может найти применение в различных отраслях народного хозяйства. Формула изобретения 1 . Способ разделения химического состава вещества, заключающийся в нагревании и превращении анализируемой пробы в летучие соединения и фракционное разделение на группы элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разделения атомных паров элементов, поступающих в аналитическую зону, повышения точности и чувствительности определений за счет снижения неселективных помех, процесс разделения осуществляют с помощью подогреваемого инертного газа с добавками активного и восстановительного газов, который одновременно пульсирующим потоком подают в трубку с обоих ее концов, причем