Способ экологического мониторинга органических соединений и устройство для его осуществления


G01N1/10 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

 

Способ экологического мониторинга и устройство предназначены для мониторинга уровня низкой концентрации летучих органических соединений в грунтовой воде из водоносного горизонта. В способе диффузионную ячейку с полимерной мембраной помещают в экологическую среду для отбора проб органических веществ путем их диффузии через полимерную мембрану. Мембрана обеспечивает разделение экологической среды от зоны несущего газа/жидкости. Подают несущий газ/жидкость в ячейку и формируют выходной сигнал, характеризующий наличие органических соединений в воде. В способе сохраняют равновесное состояние в ячейке путем регулирования несущей газ/жидкости в замкнутой системе или поддерживают заранее выбранную низкую скорость течения несущей газ/жидкости так, что концентрация органических соединений в диффузионной ячейке соответствует концентрации органических соединений в экологической среде для обеспечения возможности обнаружения малых уровней концентрации органических соединений в экологической среде с высокой степенью чувствительности. Для осуществления способа предназначено устройство, которое содержит диффузионную ячейку, средство для концентрирования органических соединений, соединенное с ячейкой несущий газ/жидкость, и детектор, соединенный со средством для концентрирования и обнаружения наличия органических соединений. Ячейка и детектор выполнены с возможностью обнаружения малых уровней концентрации органических соединений в экологической среде и высокой степенью чувствительности в реальном масштабе времени в полевых условиях. Способ чувствителен к малым уровням концентрации, устройство просто в работе и обеспечивает точные измерения, осуществляет непрерывный мониторинг. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для экологического мониторинга органических соединений с низкими уровнями концентрации и в частности, хотя не исключительно, относится к способу и устройству для мониторинга в режиме реального времени уровней низкой концентрации летучих органических соединений (ЛОС) в грунтовой воде из водоносного горизонта на месте с использованием диффузионной ячейки.

Если питьевая вода добывается из-под земли из водоносного горизонта, очень важно, чтобы вода тщательно отслеживалась на наличие примесей. Обычно много беспокойства вызывают ЛОС, в число которых входят такие органические соединения как бензол, толуол, этилбензол, ксилен (соединения БТЭКС), трихлорэтен (ТХЭ), галометаны и другие их производные. Один из потенциальных источников ЛОС в грунтовой воде - это утечка органических растворителей и легких топлив, например, из подземных резервуаров, которые могут быть подвержены утечке. В таких местах может произойти загрязнение грунтовых вод ЛОС, которое трудно обнаружить.

Рекомендуемые уровни концентрации ЛОС в питьевой воде обычно чрезвычайно низки. Поэтому ЛОС нужно обнаруживать относительно точно при низких уровнях концентрации, обычно в диапазоне частиц на триллион (чнт) до частиц на миллиард (чнм). Во многих местах разрешенные концентрации постепенно снижались. Измерения ЛОС при таких низких уровнях могут быть также необходимыми при мониторинге атмосферы. Отслеживание ЛОС часто требуется на постоянной или наполовину постоянной основе для обеспечения данных в реальном времени об уровне загрязнения окружающей среды.

Диффузионная ячейка состоит из уплотненной полой мембраны, содержащей газовую фазу, соединенную непосредственно с газочувствительным устройством. Мембрана, проницаемая для таких газов как кислород и летучие органические соединения, но относительно непроницаемая для воды, обеспечивает поверхность раздела между газовой фазой внутри ячейки и средой вне ячейки. Диффузионная ячейка основана на установлении равновесия между атмосферой внутри открытого объема и средой вне ячейки.

Как известно, диффузионные ячейки, сконструированные из разных полимерных материалов, абсорбируют органические и другие соединения и использовались, например, для определения концентраций растворенного метана и растворенного кислорода в грунтовых водах. Например, силиконовые материалы предпочтительно позволяют приникать через себя органическим соединениям, одновременно отторгая воду и другие в высшей степени полярные молекулы. Диффузия в установившемся режиме через полимерный материал диффузионной ячейки управляется парциальными давлениям жидкой и газовой фазы с каждой стороны полимерного материала соответственно. Эту диффузию в установившемся режиме можно определить по первому закону диффузии Фика.

Известное отслеживающее устройство содержит полимерную диффузионную ячейку, каждой своей стороной соединенную с трубкой, расположенной выше по течению и с трубкой, расположенной ниже по течению соответственно. Эти трубки называются линиями доступа. Линии доступа обычно выполняются из нержавеющей стали или других материалов, относительно непроницаемых для ЛОС, таких как нейлон. Диффузионная ячейка обычно содержит удлиненную трубку, например, выполненную из силикона. Линии доступа и диффузионная ячейка прочищаются несущей жидкостью или газом, например воздухом. Образцы газа берутся из расположенной ниже по течению линии доступа для определения концентрации газа, например метана, с использованием газового хроматографа. Проблема, связанная с этим методом, состоит в том, что детектор относительно дорого стоит и не является портативным. Кроме того, концентрации газа негалогенированных ЛОС нельзя измерять в диапазоне чнм.

Другой известный отслеживающий аппарат, использующий компактный полупроводниковый детектор для измерения выбранных соединений, таких как хлорированные углеводороды, применялся для обеспечения непрерывного анализа в реальном времени таких соединений. Датчик, используемый в отслеживающем устройстве, содержит проницаемую силиконовую трубку, сообщающуюся жидкостью с линиями доступа, через которые обеспечивается поток несущего газа. Полупроводниковый детектор соединен с расположенной ниже по течению линией доступа. Несущий газ протекает через линии доступа и проницаемую силиконовую трубку с относительно высокой скоростью течения, например, 170 мл в 1 мин. Чувствительность этого следящего устройства также ограничена диапазоном частиц на триллион (чнт).

По меньшей мере предпочтительные примеры осуществления этого изобретения направлены на создание способа и устройства для экологического мониторинга низких уровней концентрации органических соединений, например, в диапазоне частиц на миллиард (чнм) с относительной точностью. Кроме того, желательно создать устройство, которое можно применять на месте для отслеживания в реальном времени таких низких уровней органических соединений, однако устройство должно быть относительно простым, эффективным, экономичным и точным в работе.

Согласно одному аспекту этого изобретения имеется способ экологического мониторинга уровней низкой концентрации органических соединений в экологической среде, причем этот способ включает в себя следующие этапы: размещение диффузионной ячейки в экологической среде для отбора проб органических соединений, причем диффузионная ячейка содержит полимерную мембрану, в которую и через которую диффундируют органические соединения, причем полимерная мембрана создает перегородку между экологической средой и зоной для несущей жидкости (газа); подача в диффузионную ячейку несущей жидкости, так что несущая жидкость получает концентрацию органических соединений в принципе в равновесии с концентрацией органических соединений в экологической среде, причем при работе низкие уровни концентрации органических соединений можно обнаружить так, чтобы иметь относительно высокую степень чувствительности; отслеживание органических соединений в несущей жидкости и формирование выходного сигнала, характерного для органических соединений в экологической среде.

Важные примеры осуществления - это те, в которых имеет место отслеживание в реальном времени.

Желательно, чтобы заранее установленная скорость течения несущей жидкости выбиралась так, чтобы постоянную равновесия для каждого органического соединения можно было использовать для расчета низких уровней концентрации каждого органического соединения в экологической среде относительно точно.

Предпочтительно постоянная равновесия определяется как коэффициент закона Генри для каждого органического соединения.

Желательно, чтобы заранее установленную скорость течения несущей жидкости можно было определить калибровкой математической модели, основанной на экспериментальных данных.

Предпочтительно, чтобы экспериментальные данные основывались на одной или нескольких переменных испытаний, включая геометрию диффузионной ячейки, материал конструкции диффузионной ячейки и состав органических соединений.

Желательно, чтобы заранее установленную скорость течения несущей жидкости можно было менять, чтобы в принципе минимизировать любые вредные характеристики обратной реакции, возникающие от разделения органических соединений, абсорбируемых внутри диффузионной ячейки.

В важном примере осуществления несущая жидкость имеет скорость течения менее 10 мл/мин и предпочтительно 2-5 мл/мин, хотя могут быть возможны намного меньшие скорости течения.

Обычно один из вредных эффектов включает в себя "эффект памяти", когда первое органическое соединение, абсорбированное в высоких концентрациях внутри диффузионной ячейки, относительно экологической среды, может быть обнаружено неточно относительно второго органического соединения, абсорбированного в низких концентрациях внутри диффузионной ячейки относительно экологической среды, когда концентрация таких соединений меняется со временем. Например, триметилбензол имеет более высокую степень разделения, чем бензол. Таким образом, когда концентрация органических соединений меняется в экологической среде, те органические соединения, которые имеют более высокую степень разделения, задерживали время, которое требуют органические соединения, чтобы уравновеситься по диффузионной ячейке. Это время отклика с задержкой известно как "эффект памяти" и его нужно учитывать при интерпретации результатов. Для известных органических соединений калибровка и коррекция этого эффекта пригодны для улучшения отслеживания в реальном времени.

Обычно этот способ, кроме того, включает в себя этап обнаружения наличия органических веществ в несущей жидкости.

Предпочтительно этот способ, кроме того, включает в себя этап концентрирования органических соединений до этого этапа обнаружения.

Предпочтительно этап обнаружения наличия органических соединений в несущей жидкости можно осуществлять с использованием компактного полупроводникового детектора, имеющего относительную чувствительность.

К числу органических соединений, для которых может вестись мониторинг, относятся БТЭКС (бензол, толуол, этилбензол, ксилен), бромоформ, трихлорэтан (ТХЭ) и метан.

Согласно еще одному аспекту этого изобретения имеется устройство для использования на месте для отслеживания в реальном времени низких уровней концентрации органических соединений в экологической среде, причем это устройство содержит: диффузионную ячейку для взятия проб органических соединений в экологической среде путем диффузии; средство концентрирования, связанное жидкостью с диффузионной ячейкой, для концентрирования проб органических соединений; и детектор, связанный жидкостью со средством концентрирования, для обнаружения наличия органических соединений, причем при работе низкие уровни концентрации органических соединений в экологической среде можно обнаруживать относительно точно.

Это устройство также содержит средство генерирования потока жидкости, соединенное с диффузионной ячейкой для генерирования заранее установленной скорости течения несущей жидкости к диффузионной ячейке и подачи несущей жидкости к средству концентрирования, где заранее установленная скорость течения несущей жидкости контролируется так, чтобы она была достаточно малой, так чтобы концентрация органических соединений в диффузионной ячейке была в принципе в равновесии с концентрацией органических соединений в экологической среде.

Предпочтительно диффузионная ячейка является трубчатой и сконструирована из силиконового материала.

Предпочтительно средство концентрирования содержит трубку тепловой десорбции, имеющую материал абсорбента для абсорбции проб органических соединений, и устройство, такое как печь для десорбирования проб органических соединений, абсорбированных внутри этого материала.

Желательно, чтобы детектор содержал компактный полупроводниковый детектор, который можно использовать для осуществления анализа в реальном времени заранее выбранных органических соединений.

Для того, чтобы получить лучшее представление о природе настоящего изобретения, возможные примеры его осуществления теперь будут описаны только в качестве примеров со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых: фиг. 1 - схематический вид одного примера осуществления устройства согласно изобретению, показывающий лабораторное испытательное оборудование; фиг. 2 - график диапазона известных малых количеств трихлорэтена (ТХЭ) и соответствующий пик, выданный детектором с захватом электронов (ДЗЭ), используемый в устройстве на фиг.1; фиг. 3 - график, показывающий относительные концентрации галометанов, полученные из устройства на фиг.1, калиброванные относительно ТХЭ;
фиг. 4 - график, показывающий относительные концентрации галометанов, полученные от устройства на фиг. 1, калиброванные относительно бромоформа;
фиг. 5 - график, показывающий концентрации выбранных галометанов и всех галогенированных ЛОС во второй диффузионной ячейке, анализированные газовые хроматографом/спектрометром массы;
фиг. 6 показывает второй пример осуществления, являющийся схематическим видом прототипа для использования на месте для отслеживания в реальном времени;
фиг. 7 схематически показывает третий пример осуществления, где имеется замкнутая диффузионная ячейка без течения несущей жидкости.

Для целей следующего описания единица концентрации нанограмм на 1 л (нг 1-1) или ее эквивалент считается тем же, что уровни концентрации чнт.

Пример осуществления фиг. 1 - это схематический вид лабораторного испытательного оборудования (на основе которого прототип, показанный на фиг. 6, был разработан для использования на месте для экологического мониторинга в реальном времени в полевых условиях, например, для отслеживания ЛОС в грунтовых водах). Пример, описанный теперь со ссылкой на фиг. 1, просто иллюстрирует полевое применение настоящего изобретения.

Устройство содержит диффузионную ячейку 12, соединенную с блоком обнаружения 18 и способную отслеживать органические соединения в воде, поток которой подается к ячейке из нержавеющей стали 20 через впускное отверстие 22, причем вода выпускается через выпускное отверстие 24. Диффузионная ячейка 12 содержит трубку из силиконового материала, выполненную в виде спирального змеевика. Трубка имеет внутренний диаметр 1 мм, внешний диаметр 1,5 мм и общую длину 1 м. Спиральный змеевик соединен с расположенной выше по течению линией доступа 30, имеющей впускное отверстие 34, через которое вводится несущий газ (в данном случае азот высокой чистоты).

Змеевик также соединен с находящейся ниже по течению линией доступа 32, которая передает несущий газ в печь 38, в которой размещена трубка тепловой десорбции для захвата углерода 14. Вниз по течению от этой трубки тепловой десорбции 14 имеется выпускная линия доступа 40 для выпуска несущего газа к детектору с захватом электронов (ДЗЭ) 16. Кроме того, устройство содержит интегратор 42, электрически соединенный с ДЗЭ 16 для записи сигналов от ДЗЭ 16, соответствующих концентрациям органических соединений.

Устройство, кроме того, содержит отверстие для впрыскивания 36 в линии 32, которое используется для калибровки устройства путем впрыскивания известных количеств известного стандартного органического соединения в отверстие для впрыскивания 36.

Например, известные количества ТХЭ и бромоформа впрыскивались и затем пиковое показание ДЗЭ 16 наносилось на график относительно известного количества стандартного соединения. Фиг.2 - это график впрыснутых количеств ТХЭ и соответствующего пикового показания ДЗЭ 16. Период сбора 1 час используется с несущим газом, в этом случае чистым азотом, при скорости течения 5 мл в 1 мин (мл мин-1). ТХЭ можно обнаруживать до ДЗЭ 16 до величины впрыснутой массы 4 нг ТХЭ. Менее 4 нг ТХЭ фоновый шум на выходе ДЗЭ 16 относительно неотличим от пикового показания для ТХЭ на основании отношения сигнал:шум - 3: 1. Поэтому это считается чувствительностью ДЗЭ 16. 4 нг ТХЭ соответствует концентрации газа 13 нг1-1 и на основе постоянной закона Генри 0,36 соответствует пределу обнаружения концентрации жидкости приблизительно 37 нг 1-1.

Если ДЗЭ 16 калибруется бромоформом, предел обнаружения составляет 36 нг или приблизительно в 9 раз меньше, чем ТХЭ. 36 нг бромоформа соответствуют концентрации газа 120 нг 1-1 и на основе постоянной закона Генри 0,024 соответствует пределу обнаружения концентрации жидкости приблизительно 5000 нг 1-1.

Устройство 10 иллюстрируется для отслеживания низкого уровня концентраций ЛОС, в этом случае преимущественно галометанов, в водопроводной воде. Это наполовину количественное измерение, поскольку концентрации ЛОС относительны калибровке по ТХЭ или бромоформу, как показано на фиг.3 и 4 соответственно. Водопроводная вода непрерывно пропускается через ячейку потока из нержавеющей стали 20 с номинальной скоростью течения 100 мл мин-1. В находящейся выше по течению линии доступа 30 имеется непрерывное течение чистого воздуха 34 со скоростью течения 5 мл мин-1.

Скорость течения 5 мл мин-1 выбрана как достаточно малая, так чтобы концентрация ЛОС в диффузионной ячейке 12 была в принципе в равновесии с концентрацией ЛОС в водопроводной воде, протекающей через ячейку потока 20. Равновесие достигается с использованием относительно малой скорости течения вместе с относительно длинной трубкой диффузионной ячейки 12, в этом примере длиной 1,0 м.

Заранее установленная скорость течения будет зависеть от ряда факторов, включая полимерный материал, из которого выполнена диффузионная ячейка 12, внутренней и внешней геометрии и размеров диффузионной ячейки и от состава органических соединений в экологической среде. Можно рассчитать из математической модели на основе экспериментальных данных, относящихся к указанным и другим уместным переменным заранее установленную скорость течения несущей жидкости (газа) для любой известной области применения.

Заранее установленную скорость течения можно менять, чтобы значительно минимизировать любые вредные характеристики обратной реакции в отношении некоторых соединений, таких как триметилбензол, которые имеют относительно высокие концентрации абсорбции внутри диффузионной ячейки 12 по сравнению с такими соединениями, как бензол. Триметилбензол разделяется значительно больше в диффузионную ячейку 12 по сравнению с бензолом. Соединения с высокой степенью разделения, такие как триметилбензол, приводят к "эффекту памяти". "Эффект памяти" таков, что, если концентрация ЛОС меняется со временем, концентрации ЛОС в диффузиционной ячейке 12 может потребоваться значительное время, чтобы уравновеситься с концентрацией ЛОС в экологической среде. Поэтому это может привести к неточному обнаружению концентрации ЛОС до достижения равновесия.

Печь 38 зарограммирована на подъем температуры от 40 до 200oC со скоростью 70oC в 1 мин. ЛОС, которые собрались на трубке тепловой десорбции с захватом углерода 14 за период, например, 20 мин или более затем десорбируются и для анализа пропускается поток воздуха с некоторой концентрацией органических соединений. Затем регистратор хода процесса 42 записывает данные от ДЗЭ 16.

Результаты концентраций газа галометана относительно ТХЭ и бромоформа, полученные из регистратора хода процесса 42 за непрерывный период отслеживания около 5 дней, показаны на графиках фиг.3 и 4 соответственно. Водопроводная вода, протекавшая через ячейку потока 20 в момент, соответствующий приблизительно 124 ч на каждом из графиков, менялась на поток дистиллированной воды. Как можно видеть из фиг. 3 и 4, уровни концентраций ЛОС, записанные устройством 10, постепенно падают в принципе до ноля.

Если концентрации ЛОС от трубки тепловой десорбции с углеродной ловушкой 14 превышают детектируемый диапазон ДЗЭ 16, может потребоваться понизить концентрации до анализа. Это достигается разбавлением пробы газа из диффузионной ячейки 12 "подпитывающим" газом (не показан). "Подпитывающий" газ можно впускать вниз по течению от трубки десорбции 14 со скоростью течения, например, 20 м/мин.

Вторая диффузионная ячейка (не показана) также может включаться в ячейку потока 20. Органические пробы могут собираться вручную из этой второй диффузионной ячейки на ловушки TENAX. Затем органические пробы, полученные на ловушках TENAX, могут термически десорбироваться и анализироваться с использованием газового хроматографа или массового спектрометра для обнаружения отдельных галометанов (хлороформа, углерод-тетрахлорида, бромодихлорметана, дибромхлорметана и бромоформа). Результаты анализа, полученные на таких собранных вручную пробах, показаны на графике фиг. 5. График всех галогенированных ЛОС показан на фиг. 4 вместе с графиком всех галогенированных ЛОС, полученных из устройства 10. В относительных терминах результаты в принципе совпадают. Постоянная закона Генри 0,045 используется для всех галогенированных ЛОС для определения этих относительных концентраций ЛОС.

Чувствительность компактного полупроводникового детектора, в этом примере датчика газа FIGARO модель N.TGS 822, можно оценить с использованием диапазона известных количеств, например, бензола и ТХЭ. Период сбора 1 час используется при скорости течения несущего газа (жидкости) 5 мл/мин. На основании постоянной закона Генри для бензола и ТХЭ 0,24 и 0,36 соответственно пределы обнаружения 20 нг1-1 и 90 нг1-1 соответствуют пределу концентрации жидкости приблизительно 300 нг1-1 и 900 нг1-1 соответственно.

Было обнаружено, что для углеводородов детектор Figaro требует для своей работы присутствие кислорода более 2%; этого можно достичь с использованием воздуха в качестве несущего газа.

Примеры осуществления изобретения могут помочь достичь, как минимум, некоторые из следующих преимуществ.

1. Описанные способы чувствительны к малым уровням концентрации ЛОС в диапазоне от чнт до чнмд;
2. Описанное устройство может обеспечить точные измерения в реальном времени ЛОС в диапазоне чнмд;
3. Устройство относительно просто в работе и не имеет этапов отбора проб и отслеживания, требуемых, например, в обычном отборе проб с бурением отверстия или с поверхности воды.

4. Устройство относительно недорого, если например, можно использовать компактный полупроводниковый или аналогичный детектор.

5. Устройство позволяет проводить непрерывный экологический мониторинг ЛОС, например, на месте.

Для специалистов в этой области будет очевидно, что многочисленные изменения и модификации можно произвести в отношение описанного способа и устройства в дополнение к уже упомянутым, не отходя от основных изобретательских концепций этого изобретения. Например, скорость течения газа (жидкости) можно изменять согласно размерам соединений в экологической среде в принципе уравновешивается с концентрацией органических соединений внутри диффузорной ячейки. Заранее установленную скорость течения можно определять калибровкой математической модели на основе экспериментальных данных. То есть скорость течения и конструкцию диффузионной ячейки, включая полимерный материал конструкции и геометрию трубки, можно определять по экспериментальным данным с помощью математических моделей процессов диффузии и разделения.

В качестве альтернативы, заранее установленную скорость течения можно рассчитать методом "проб и ошибок", используя вторую диффузионную ячейку вместе с газовым хроматографом/массовым спектрометром как опорный стандарт для неорганических соединений, содержащихся в экологической среде.

Кроме того, описанное выше устройство можно менять; например, средство концентрирования можно разработать, используя работающий от батареек нагревательный элемент, а не программируемую по температуре печь газового хроматографа для десорбирования органических компонентов из трубки десорбции с углеродной ловушкой. Детектор можно выбрать так, чтобы он анализировал конкретные органические соединения из набора соединений. Желательно, чтобы детектор был относительно недорогим компактным полупроводниковым устройством.

В качестве альтернативы, полимерный материал для трубки диффузионной ячейки может быть резиной, RTFE или VITON. Испытывались и цилиндрические ячейки с толщиной стенок от 0,25 до 0,5 мм и внешним диаметром от 1,5 до 3 мм.

Как показано в примере осуществления на фиг.6, устройство отслеживания содержит узел диффузионной ячейки 12 и узел детектора проб 138, содержащий трубку тепловой десорбции с углеродной ловушкой 114 и детектор в виде полупроводникового датчика газа 116. Узел диффузионной ячейки 12 имеет корпус 120 из нержавеющей стали, имеющий впускное отверстие 122 и выпускное отверстие 124 для воды.

Узел диффузионной ячейки 12, кроме того, содержит трубку 125 из силиконового каучука или другого силиконового материала (такого, как диметилсилоксан) в форме спирального змеевика. Трубка 125 в этом примере имеет внутренний диаметр 1,0 мм и внешний диаметр 1,5 мм и общую длину 1,0 м.

Диффузионная трубка 125 имеет расположенный выше по течению конец и расположенный ниже по течению конец, соответственно соединенные с расположенной выше по течению линией доступа 130 и с расположенной ниже по течению линией доступа 132. Расположенная выше по течению линия доступа 130 соединена у впускного отверстия 134 с устройством подачи (не показано) воздуха высокой чистоты, который является несущим газом, подаваемым в диффузионную ячейку 12. Расположенная ниже по течению линия доступа 132 соединена с узлом детектора 138 и включает в себя отверстие для впрыскивания 136. Отверстие для впрыскивания 136 в этом примере осуществления - T-образный элемент SWAGELOK.

В этом примере материал абсорбента для абсорбирования проб ЛОС содержится в температурной десорбционной трубке с углеродной ловушкой 114.

Линии доступа 130 и 132 выполнены из нержавеющей стали, инертной к органическим соединениям. Это позволяет избежать риска перекрестного загрязнения органической пробы, которое может случиться, если линии процесса выполнены из полимерного материала.

Устройство соединено с источником электропитания 140 и с регистратором хода процесса 142 для записи электрических сигналов от датчика 116, соответствующих концентрациям проб органических соединений относительно предыдущей калибровки, с использованием стандартных ЛОС.

Как видно из фиг.7, имеется замкнутая система, которая состоит из полимерной трубки диффузионной ячейки 200 силиконового материала, имеющей спиральный змеевик 201, погруженный в экологическую жидкость, где диффузия происходит в и через стенку трубки органических соединений в экологической жидкости 202. Трубка 200 соединена с узлом датчика 203, имеющем в этом случае недорогой коммерчески доступный датчик 204 углеводорода, причем узел 203 соединен с регистратором хода процесса 205.

Было обнаружено, что представленный пример осуществления пригоден для обнаружения органических газов, таких как метан, особенно нужно обнаружить уровни в чнмд. Удобно использовать датчик типа Figaro, причем пригодны модели TGS800, 822, 815 или 842. Датчик герметизирован в корпусе 206 из поликарбоната, к которому присоединена трубка 200. В этом случае трубка имеет внешний диаметр 3,0 мм, внутренний диаметр 2,0 мм и толщину стенки 0,5 мм. Датчики типа Figaro содержат змеевик нагревателя, который нагревает чувствительный элемент приблизительно до 400oC.

Датчик может работать при непрерывной работе нагревателя датчика, но желательно использовать прерывистый режим работы для экономии энергии и снижения потребления метана и получения водяного пара внутри диффузионной ячейки. Это позволяет питать узел от батарейки 12 В или от солнечного элемента. Прерывистый режим работы обычно предполагает работу нагревателя датчика в течение, например, 200 с до проведения измерения. Регистратор данных процесса 205 используется для контроля как прерывистой работы по регистрации хода процесса, так и времени преднагрева датчика, причем чувствительный элемент включен последовательно с резистором 1180 Ом с допуском 0,1%.


Формула изобретения

1. Способ экологического мониторинга органических соединений, при котором диффузионную ячейку с полимерной мембраной помещают в экологическую среду для отбора проб органических веществ путем диффузии органических веществ через полимерную мембрану, обеспечивающую отделение экологической среды от зоны несущего газа/жидкости, подают несущий газ/жидкость в диффузионную ячейку и формируют выходной сигнал, характеризующий наличие органических соединений в экологической среде, отличающийся тем, что сохраняют равновесное состояние в диффузионной ячейке путем регулирования несущего газа/жидкости в замкнутой системе или поддерживают заранее выбранную низкую скорость течения несущего газа/жидкости так, что концентрация органических соединений в диффузионной ячейке соответствует концентрации органических соединений в экологической среде для обеспечения возможности обнаружения малых уровней концентрации органических соединений в экологической среде с высокой степенью чувствительности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что несущий газ/жидкость подают через диффузионную ячейку с малой скоростью течения, а для расчета уровней концентрации каждого органического соединения в экологической среде используют постоянную равновесия для каждого органического соединения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для определения постоянной равновесия для каждого органического соединения используют коэффициент согласно закону Генри.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для получения экспериментальных данных и калибровки с использованием этих данных проводят эксперименты с известными уровнями содержания известных органических соединений в экологической среде, а скорость течения несущего газа/жидкости выбирают заранее установленной.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что проводят предварительный эксперимент с известными органическими соединениями для определения соответствующих характеристик абсорбирующей способности органических соединений внутри диффузионной ячейки и определяют установленную скорость течения несущего газа/жидкости для минимизации характеристик ответной реакции, возникающих за счет разных уровней абсорбции разных органических соединений.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выходящий из диффузионной ячейки несущий газ/жидкость обрабатывают для обнаружения наличия и определения уровней органических соединений в нем.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что перед обнаружением органических соединений в несущем газе/жидкости осуществляют их концентрирование.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют трубку температурной десорбции для концентрирования органических соединений и полупроводниковый детектор для анализа а реальном времени.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве несущего газа используют воздух или азот высокой частоты.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что несущий газ/жидкость подают со скоростью менее 10 мл/мин.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют протекание несущий газ/жидкости вне диффузионной ячейки.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что обработку несущего газа/жидкости проводят для отслеживания одного или большего числа органических соединений из группы, состоящей из бензола, толуола, этилбензола, ксилена, бромоформа, трихлороэтена и метана.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что осуществляют полуколичественное измерение органических веществ в реальном масштабе времени.

14. Способ по п.8, отличающийся тем, что регулируют абсорбцию десорбционной трубки с обеспечением абсорбции органических соединений из несущей жидкости в течение продолжительного времени с последующей активацией нагревателя в течение относительно короткого периода времени для десорбции органических соединений и подачи их к детектору, причем посредством указанного нагревателя в дальнейшем периодически регулируют абсорбционно-десорбционный цикл.

15. Устройство для экологического мониторинга органических соединений, содержащее диффузионную ячейку для отбора проб органических соединений в экологической среде посредством диффузии, средство для концентрирования органических соединений, соединенное с диффузионной ячейкой, несущий газ/жидкость и детектор, соединенный со средством для концентрирования и обнаружения наличия органических соединений, отличающееся тем, что диффузионная ячейка выполнена с возможностью изменения размеров в соответствии со скоростью течения газа/жидкости, а детектор выполнен с возможностью обнаружения малых уровней концентрации органических соединений в экологической среде с высокой степенью чувствительности в реальном масштабе времени в полевых условиях.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит средство генерирования потока газа/жидкости, соединенное с диффузионной ячейкой, для генерирования заранее заданной скорости течения несущего газа/жидкости к диффузионной ячейке и его подачи к средству концентрирования, в котором заранее заданная скорость течения несущего газа/жидкости контролируется так, чтобы она была достаточно малой для того, чтобы концентрация органических соединений в диффузионной ячейке находилась в равновесии с концентрацией органических соединений в экологической среде.

17. Устройство по п.15 или 16, отличающееся тем, что диффузионная ячейка выполнена в виде трубки из силиконового материала, длина которой больше ее диаметра, при этом трубка выполнена в виде спирального змеевика и погружена в экологическую среду, протекающую над внешней частью змеевика, способного проводить несущий газ или жидкость.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к строительству , в частности к устройствам для определен .; ния физико-механических характеристик i образцов грунтов, почв, строительных мате- j риалов, и может быть использовано в инженерно-строительных изысканиях, агротехнической , керамической и пищевой промышленности

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способу измеренияконцентрации^ водорода в смесях, содержащих кислород, и позволяет повысить точность анализа газовых и жидких сред на содержание водорода в присутствии кислорода

Изобретение относится к коллоидной химии и позволяет расширить функциональные возможности за счет определения агрегативной устойчивости наряду с кинетической

Изобретение относится к устройствам для испытания текстильных фильтровальных материалов на вымываемость волокон

Изобретение относится к коллоидной химии, а именно к способам определения устойчивости магнитннх жидкостей в неоднородных магнитных полях, и позволяет повысить точность определения устойчивости магнитных жидкостей за счет уменьшения количества измеряемых параметров Способ определения устойчивости магнитных /кидкостей заключается в том, что магнитную жидкость помещают в неоднородное поле с образованием из нее пробки в измерительном канале, а в разделенных пробкой полостях создают перепад давлений и измеряют его величину,

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к способам определения микроколичеств ртути и может быть использовано для экспресс-анализа объектов окружающей среды

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам определения микроколичеств метилртути, и может быть использовано для экспресс-анализа объектов окружающей среды

Изобретение относится к области исследования свойств воды, используемой в системах водоснабжения, и может быть применено при эксплуатации охлаждающих систем, систем горячего водоснабжения и теплоснабжения

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к способам оценки фитотоксичности почвы и воды, загрязненных тяжелыми металлами, пестицидами и другими поллютантами

Изобретение относится к методам аналитического определения остаточного количества синтетических полиакриламидных катионных флокулянтов в питьевой воде после очистки сточных вод и может быть использовано в пищевой промышленности

Изобретение относится к области экологии, биологии, ветеринарии, санитарной экспертизы

Изобретение относится к области биологии и экологии, может быть использовано для биологического контроля токсичности водных сред
Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для пробоподготовки при анализе качества сельскохозяйственной продукции, например кормов, а также продукции перерабатывающей промышленности

Способ экологического мониторинга органических соединений и устройство для его осуществления

Наверх