Способ определения примесей в газе и устройство для его осуществления

 

Использование: в области анализа, для детектирования примесей в газе и идентифицирования вещества примесей. Сущность изобретения: анализируемый поток фильтруют через различные сорбенты с поочередным измерением перепада концентрации примеси в каждом сорбенте. Полученные "спектры" перепадов на стандартизованных наборах слоев сорбентов сличают со спектрами известных примесей. Банк данных для известных примесей предлагается хранить в памяти компьютера и сличение производить машинным распознаванием образов. В набор сорбентов предлагаются различающиеся по специфическим свойствам вещества: активные угли, цеолиты, твердые гели, полимерные и металлические сетки, волокнистые аэрозольные фильтры и другие материалы. В устройстве, реализующем способ, сорбенты размещаются в сквозных гнездах барабанов с возможностью ввода каждого гнезда в коммуникацию анализируемого потока путем перемещения барабана. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано, в частности, при экологическом и санитарном контроле воздушной среды.

При определениях примесей в газе требуется детектировать присутствие примеси с измерением уровня ее концентрации и идентифицировать вещество примеси. Для детектирования и измерения примесей известны различные детекторы примесей, охватывающие широкий круг веществ. Наибольшее распространение имеют детектор теплопроводности, пламенно-ионизационный детектор, детектор электронного захвата и др. [1] Наибольшей чувствительностью обладают в настоящее время детекторы, основанные на эффекте проявления молекулярных ядер конденсации (МоЯК) [2] Все детекторы либо универсальны, либо обладают лишь групповой селективностью, и для идентификации детектируемого вещества требуется разделение смеси на компоненты. Для этого применяется газовая хроматография [1] Метод основан на различной проникающей способности газовых примесей через сорбенты. При многократных актах сорбции и десорбции в колонке с сорбентом это различие в проникающей способности выражается временем прохождения каждой примеси через колонку. Момент времени выхода каждой примеси из колонки фиксируется известными способами детектирования, а время задержки примеси в колонке позволяет идентифицировать вещество примеси путем сличения с аналогичными измерениями для известных примесей. Хроматографический метод идентификации газовых примесей является наиболее близким к изобретению и принят в качестве прототипа.

Ввиду разнообразных достоинств метода газовой хроматографии отмечать его недостатки можно только условно, применительно к частным задачам, в которых предлагаемый метод может в перспективе иметь преимущества. К таким задачам относятся случаи обнаружения детектором неизвестной доминирующей примеси, например, при экологическом контроле атмосферы. Для идентификации такой примеси хроматографическим методом нужно перепробовать подходящие варианты колонки и режимы ее применения, чтобы время задержки неизвестной примеси оказалось в разумных пределах. В условиях экологического обследования детекторами, расположенными на самолетах, вертолетах или автомобилях, когда время и доступная аппаратура ограничены, такой анализ связан с большими затруднениями. Выбранные условия могут быть неудачными и анализ не состоится, а на воспроизводимость проб в свободной атмосфере рассчитывать не приходится.

Задачей изобретения является получение информации о свойствах вещества примеси, позволяющей идентифицировать это вещество простыми средствами и за короткое время.

Это достигается изобретением, включающим детектирование примеси известными методами, поочередное пропускание потока газа с примесями через различные сорбенты, измерение в каждом сорбенте перепадов концентрации примеси в качестве характеристики проникающей способности с последующим идентифицированием вещества путем сличения полученных результатов с аналогичными измерениями для известных вещества примесей. В качестве сорбентов используют активные угли, цеолиты, силикагели, алюмогели, клатратные соединения, стекла, керамику, волокнистые материалы аэрозольных фильтров, металлические и полимерные сетки, а также химические и каталитические добавки в твердой и жидкой фазе.

Применяют стандартизированные наборы сорбентов, для которых измеряют перепады концентраций известных веществ примесей и хранят их в памяти компьютера в виде "спектров" перепадов, а поиск аналогов спектров определяемых примесей ведут методом машинного распознавания образцов. Применяют также последовательные по ходу фильтруемого потока комбинации сорбентов с измерением перепада концентраций на каждом сорбенте.

Отличие изобретения заключается в том, что поток газа с примесями фильтруют поочередно через различные сорбенты, измеряют в качестве проникающей способности перепады концентраций примесей в сорбентах и идентифицируют вещество путем сличения полученных спектров перепадов с аналогичными измерениями для известных веществ примесей.

Другое отличие состоит в том, что в качестве различных сорбентов используют активные угли, цеолиты, силикагели, алюмогели, клатратные соединения, стекла, керамику, волокнистые материалы аэрозольных фильтров, металлические и полимерные сетки, а также химические и каталитические добавки в твердой и в жидкой фазе. Отличие состоит также в том, что применяют стандартизованные наборы сорбентов, для которых измеряют перепады концентрации известных веществ примесей, и хранят полученные результаты в памяти компьютера в виде "спектров" перепадов, а поиск аналогов спектров определяемых примесей ведут методом машинного распознавания образов. Другое отличие состоит также в том, что применяют последовательные по ходу потока комбинации сорбентов с измерением перепада концентрации на каждом сорбенте.

Способ позволяет быстро и простыми средствами получить количественную и качественную информацию о многих свойствах неизвестной примеси. При накоплении банка данных аналогичных измерений для известных веществ примесей можно путем сличения идентифицировать определяемую примесь.

Для осуществления способа определения примесей в газе требуется устройство.

Известен газоанализатор, который выбран в качестве прототипа устройства для определения примесей, включающий барабан с симметрично расположенными сквозными гнездами для размещения трубок с сорбентами, газовую коммуникацию для подвода анализируемого потока газа и анализатор.

Недостатком этого устройства является сложность распределения потоков по сорбционным трубкам.

В предложенном устройстве барабан выполнен с возможностью вращения для поочередного присоединения каждого гнезда к газовой коммуникации.

Использование указанного признака в предложенном устройстве позволяет быстро произвести операцию измерения перепада концентраций на каждом сорбенте и получить необходимый для идентификации примеси спектр перепадов для всего стандартизированного набора сорбентов.

На чертеже схематически изображено устройство, где 1 сквозные гнезда в барабане с помещенными в них сорбентами, 2 барабан с возможностью перемещения гнезд, 3 штуцеры для ввода гнезд в коммуникацию фильтруемого потока.

Способ и устройство для его осуществления работают следующим образом.

Из известных способов детектирования примесей в газе для предложенного способа определения примесей предпочтительней более универсальный и наиболее высокочувствительный. Универсальность нужна для обнаружения любой примеси, а требование высокой чувствительности усугубляется необходимостью измерять уровень концентрации примесей, пониженный на несколько порядков при фильтрации через сорбенты. Наиболее подходящим по этим признакам является детектор МоЯК. Его дополняют набором сорбентов, различающихся по своим свойствам. В наборе, например, должны присутствовать универсальные сорбенты из активных углей и специфические хемосорбенты из металличес- ких сеток или носителей химических и каталитических добавок. В набоpе должен быть также "плохой" сорбент, например, из гладких стеклянных или керамических шариков. Каждый сорбент стандартизованного набора поочередно включают в поток газа с определяемой примесью и измеряют концентрацию примеси в потоке за сорбентом. Для выполнения каждого измерения требуется 4-6 с, а стандартизованный набор может состоять из 5-10 сорбентов. Измеренную величину удобно относить к начальной концентрации, чтобы характеристика перепада концентраций слабо зависела от ее величины. Полученные результаты можно фиксировать аналоговым сигналом в виде "спектра" коэффициента перепада (проскока) и сличать с банком данных для аналогичных измерений с известными веществами для идентификации определяемой примеси машинным распознаванием образов.

Некоторые простые качественные ситуации могут при этом выглядеть так. Примесь проходит почти без поглощения через все сорбенты, кроме катализаторов и химдобавок. Определяют, что вещество примеси газ типа СО. Более точное идентифицирование дают количественные сличения "спектра" коэффициентов, особенно для каталитических и химических добавок.

Примесь существенно поглощается всеми сорбентами, в том числе гладкими стеклянными шариками. Ограничивают сличение спектров малолетучими веществами с уточнением по количественным данным.

Примесь проходит через все сорбенты, не фильтруется волокнистыми материалами.

Примесь представляет собой аэрозоль. Вещественный состав частиц может быть дополнительно определен специальным методом.

Примесь лучше задерживается сетками из золоченых проволочек, чем активным углем. С большoй вероятностью определяют, что примесь принадлежит парам ртути.

Приведенные примеры носят упрощенный качественный характер и не могут охватить даже малой доли реальных случаев. Среди них могут быть различия в поглощении гелями и активными углями, свидетельствующие о полярности соединений, поглощение полимерными сетками, характерное для паров специфических растворителей данного полимера, и т.д. Изощренные варианты можно предвидеть при достаточном накоплении банка данных в памяти компьютера, включая данные для комбинации последовательной фильтрации потока с примесью через два разных сорбента. Подобно хроматографическому методу предложенный метод расширяет свои возможности по мере его развития. Однако даже при значительном развитии предложенного метода он не рассчитан на конкуренцию с хроматографией в случаях определения примесей в многокомпонентных системах с малым различием свойств примесей. Его преимущества могут проявиться только в задачах идентификации одной или нескольких доминирующих примесей неизвестных веществ. Возможно также взаимное дополнение хроматографического и предложенного методов.

Таким образом, предложенные способ и устройство позволяют в ряде задач определения примесей в газе идентифицировать неизвестные примеси проще и быстрее, чем в способе-прототипе.

Формула изобретения

1. Способ определения примесей в газе, включающий пропускание потока газа с примесями через слои различных сорбентов, измерения проникающей способности примесей за слоем сорбента анализатором с последующей идентификацией веществ путем сличения с аналогичными измерениями для известных веществ, отличающийся тем, что в качестве характеристики проникающей способности используют перепады концентраций на каждом сорбенте, сличение проводят по спектру перепадов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сорбентов используют активные угли, цеолиты, силикагели, алюмогели, клатратные соединения стекла, керамики, волокнистые материалы аэрозольных фильтров, металлические и полимерные сетки, а также химические и каталитические добавки в твердой и жидкой фазе на носителях.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что применяют стандартизированные наборы сорбентов, для которых измеряют перепады концентраций известных веществ и хранят полученные результаты в памяти компьютера в виде спектров перепадов, а поиск аналогов спектров определяемых примесей ведут методом машинного распознавания образцов.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что применяют последовательно по ходу фильтруемого потока комбинации сорбентов с измерением перепада концентраций на каждом сорбенте.

5. Устройство для определения примесей в газе, включающее барабан с симметрично расположенными сквозными гнездами для размещения трубок с различными сорбентами, газовую коммуникацию для подвода анализируемого потока газа и анализатор, отличающееся тем, что барабан выполнен с возможностью вращения для поочередного присоединения гнезд к коммуникации.

РИСУНКИ

Рисунок 1