Способ экспресс-анализа биохимического потребления кислорода и устройство для его осуществления

Авторы патента:

G01N27/00 - Исследование или анализ материалов с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств (G01N 3/00-G01N 25/00 имеют преимущество; измерение переменных электрических или магнитных величин и исследование электрических или магнитных свойств материалов G01R)

Владельцы патента RU 2608443:

ООО "НПФ "Альфа БАССЕНС" (RU)

Группа изобретений относится к области определения биохимического потребления растворенного кислорода в воде. Устройство для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода содержит измерительный резервуар, выполненный в виде проточной амперометрической ячейки, включающий электрод сравнения и рабочий электрод в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, блок коммутации, вычислительный блок суммирования, вычислительный блок вычисления и сравнения, вычислительный блок измерения и индикации. При этом устройство снабжено блоком водоподготовки, амперометрическая ячейка снабжена мембраной, помещенной перед рабочим электродом, с иммобилизованным на ней активным илом, а электрод сравнения и рабочий электрод выходами подключены к входам вычислительного блока сравнения и вычислительного блока суммирования, выход вычислительного блока суммирования соединен с входом вычислительного блока измерения и индикации. Также раскрывается способ экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода с использованием описанного выше устройства. Группа изобретений обеспечивает расширение функциональных возможностей и повышение точности анализа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области определения биохимического потребления растворенного кислорода в природной и сточной воде и может быть использовано в системах лабораторного контроля технологических процессов очистки природной и сточной воды.

Известны способы и устройства для определения биохимического потребления растворенного кислорода в воде: патент России RU 2510021 С2 опубликован 20.03.2014, патент России RU 2139530 С1 опубликован 10.10.1999, патент Германии DE 4314981 А1 опубликован 02.12.1993, патент ЕР 0414182 А1 опубликован 27.02.1991.

Известен способ для непрерывного измерения биохимического потребления кислорода (патент России RU 2510021 С2 опубл. 20.03.2014), заключающийся в том, что организуют непрерывный поток забираемой на анализ воды из водного объекта в трубопровод, причем скорость течения воды в трубопроводе подбирают так, чтобы за требуемый период времени Т (где Т - длительность биохимического потребления) вода проходила расстояние между двумя соседними створами трубопровода, в которых установлены датчики для непрерывного измерения концентрации растворенного кислорода в проточной воде.

Указанный способ обладает следующим недостатком: невозможность измерения биохимического потребления кислорода в случае, когда в пробе отсутствует активный ил, участвующий в процессе биохимического окисления.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство экспресс-анализатора химического и биохимического потребления растворенного кислорода в воде (патент России RU 2139530 С1 опубл. 10.10.1999), заключающиеся в том, что в амперометрической ячейке стимулируют рост количества микроорганизмов, поглощающих кислород, с помощью работающего генератора электроимпульсного тока в течение времени, определенного таймером, в результате чего через определенное время уменьшается почти до нуля концентрация растворенного в анализируемой воде кислорода. Биохимическое потребление кислорода (БПК полное) определяют как разность начальной и конечной (нулевой) концентраций растворенного в анализируемой воде кислорода.

Указанное устройство обладает следующим недостатком: открытая электродная система, присутствующая в составе устройства, обладает низкой селективностью и подвержена влиянию второстепенных компонентов анализируемой среды, что отрицательно сказывается на точности измерения.

Технический результат, достигаемый предлагаемыми способом и устройством для его осуществления, состоит в расширении функциональных возможностей и повышении точности анализа. Технический эффект, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в иммобилизации биохимического компонента в устройство для экспресс-анализа и достигается тем, что в известном способе экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода, включающем организацию забираемой на анализ воды из водного объекта, снабжение амперометрической ячейки биохимически активным компонентом потребления кислорода, согласно изобретению биохимически активный компонент потребления кислорода иммобилизуют в устройство амперометрической ячейки перед его рабочим электродом.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода, содержащем измерительный резервуар, выполненный в виде проточной амперометрической ячейки, включающей электрод сравнения и рабочий электрод в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, блок коммутации, вычислительный блок суммирования, вычислительный блок вычисления и сравнения, вычислительный блок измерения и индикации, согласно изобретению амперометрическая ячейка снабжена мембраной, помещенной перед рабочим электродом, с иммобилизованным на ней активным илом, при этом электрод сравнения и рабочий электрод выходами подключены к входам вычислительного блока сравнения и вычислительного блока суммирования, выход вычислительного блока суммирования соединен с входом вычислительного блока измерения и индикации, блоком водоподготовки.

Кроме того, в устройстве для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода согласно изобретению блок водоподготовки выполнен в виде последовательно соединенных воздушного компрессора, резервуара с водой, водяного насоса и блока коммутации, выходом подключенного к амперометрической ячейке, со штуцером для ввода пробы, резервуаром для хранения пробы и клапаном воздушного компрессора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2 представлен график электрических сигналов электрода сравнения, рабочего электрода и итоговая кривая сумм сигналов электрода сравнения и рабочего электрода от времени, на фиг. 3 представлен график производной сумм сигналов электрода сравнения и рабочего электрода от времени, на фиг. 4 - внешний вид предлагаемого устройства.

Блок водоподготовки 1 устройства для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода содержит воздушный компрессор 2, подключенный к резервуару с водой 3, подключенный к водяному насосу 4, подключенный к блоку коммутации 5, к которому подключены штуцер для ввода пробы 6, резервуар для хранения пробы 7, клапан воздушного компрессора 8. Измерительный резервуар 9, выполненный в виде проточной амперометрической ячейки, включающий электрод сравнения 10 в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, рабочий электрод 11 в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, измерительный канал 12, мембрану 13, помещенную перед рабочим электродом, иммобилизованного на ней активного ила 14, при этом электрод сравнения 10 и рабочий электрод 11 выходами подключены к входам вычислительного блока суммирования 15 и вычислительного блока сравнения 16, выход вычислительного блока суммирования 15 соединен с входом вычислительного блока измерения и индикации 17 и входом вычислительного блока сравнения 16.

Способ экспресс-анализа биохимического потребления кислорода реализуют в устройстве, которое работает следующим образом.

Резервуар 3 (фиг. 1) заполняют дистиллированной водой, которая является движущей силой для подачи пробы в измерительный резервуар 9 и необходима для промывки измерительного канала 12. Постоянный расход воды и пробы обеспечивает водяной насос 4. Для насыщения кислородом воздуха, который необходим для поддержания активного ила 14 вне эндогенного состояния, дистиллированной воды предназначен воздушный компрессор 2. Также воздушный компрессор 2 обеспечивает продувку измерительного канала 12 после анализа для удаления остатков проб. Нагнетание воздуха в измерительный канал осуществляется при помощи клапана 8.

Перед проведением анализа проба в необходимом объеме вводится через штуцер 6 в резервуар 7. Излишки пробы сливаются через дренаж.

Блок коммутации 5 обеспечивает подведение атмосферного воздуха, дистиллированной воды и пробы к амперометрической ячейке 9. В первом положении блока коммутации 5 обеспечивается продувка и промывка амперометрической ячейки 9. Во втором положении блока коммутации 5 к измерительному каналу 12 подключается резервуар с пробой 7, тем самым обеспечивается равномерная подача пробы в амперометрическую ячейку 10.

Амперометрическая ячейка 9 состоит из электрода сравнения 9, рабочего электрода 10, выполненных в виде амперометрических сенсоров кислорода и биохимически активного компонента в составе мембраны 13, и иммобилизованного на ней активного ила 14. Проба диффундирует через мембрану 13 к активному илу 14, где происходит потребление кислорода, растворенного в пробе. В ходе реакции биохимического потребления кислорода концентрация кислорода на границе рабочего электрода 11 уменьшается. Скорость падения концентрации кислорода и его остаточная величина являются функцией содержания органических примесей в пробе и могут быть выражены в БПК₅ (биохимическое потребление кислорода после 5-ти суточной инкубации. Физическая величина, характеризующая уровень загрязнения воды [1]). Непрерывное измерение концентрации кислорода при протекании реакции биохимического окисления обеспечивает рабочий электрод 11.

Для обеспечения большей точности проведения анализа в устройстве предусмотрена дифференциальная схема подключения электродов. Электрод сравнения 10 обеспечивает измерение кислорода в пробе без учета биохимического потребления кислорода.

Для обработки сигналов электродов и выражения результата в единице измерения БПК₅ предназначены вычислительные блоки обработки информации: вычислительный блок суммирования 15, вычислительный блок сравнения 16, вычислительный блок измерения и индикации 17.

Вычислительный блок суммирования 15 реализует дифференциальную схему подключения амперометрических сенсоров и обеспечивает выделение полезного электрического сигнала рабочего электрода 11 с учетом сигнала электрода сравнения 10 по следующей формуле:

где S - итоговый электрический сигнал (см. фиг. 2),

S₁ - электрический сигнал электрода сравнения 10,

S₂ - электрический сигнал рабочего электрода 11,

S₂⁰ - электрический сигнал рабочего электрода 11 в начальный момент времени проведения анализа.

Вычислительный блок измерения и индикации 17 осуществляет дальнейшее дифференцирование электрического сигнала S для определения max(dS/dt) (см. фиг. 3) и последующее его приведение к БПК₅ по следующей формуле:

где К - коэффициент чувствительности, получаемый при проведении калибровки устройства по ГСО (государственный стандартный образец) с известным БПК₅.

Из [1] известно, что активная реакция воды при определении БПК должна быть в пределах 6,5-8,5 мг/л. Для выполнения этого условия предназначен вычислительный блок сравнения 16, который обеспечивает выполнение следующих условий:

где min(S)²⁰ - минимальное значение итогового электрического сигнала, приведенное к 20°С,

min(S₁)²⁰ - минимальное значение электрического сигнала электрода сравнения 10, приведенное к 20°С,

min(S₂)²⁰ - минимальное значение электрического сигнала рабочего электрода 11, приведенное к 20°С.

Если не выполняется (4), то необходимо провести насыщение кислородом воздуха анализируемой пробы.

Если не выполняется (3) или (5), то необходимо провести разбавление пробы по [2] и произвести расчет БПК₅ по формуле

БПК₅=БПК₅⁽²⁾*k,

где БПК₅⁽²⁾ - БПК₅, полученный по формуле (2),

k - коэффициент разбавления.

Все элементы устройства размещены компактно в едином корпусе с габаритами 30×25×15 (см) (фиг. 4).

Таким образом, благодаря способу и устройству обеспечивается высокая точность анализа, широкий диапазон определяемых величин БПК и расширены функциональные возможности применения устройства для анализа различных природных и сточных вод без необходимости предварительной инкубации пробы [1].

Литература

1. «Методы исследования качества воды водоемов». Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н., Москва: «Медицина», 1990 г., стр. 86-87.

2. Методика выполнения измерений № ФР.1.31.2007.03436 «Количественный химический анализ вод МВИ биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПКполн) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97», Москва, 2004, стр. 10-14, 18.

1. Устройство для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода, содержащее измерительный резервуар, выполненный в виде проточной амперометрической ячейки, включающий электрод сравнения и рабочий электрод в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, блок коммутации, вычислительный блок суммирования, вычислительный блок вычисления и сравнения, вычислительный блок измерения и индикации, отличающееся тем, что снабжено блоком водоподготовки, амперометрическая ячейка снабжена мембраной, помещенной перед рабочим электродом, с иммобилизованным на ней активным илом, при этом электрод сравнения и рабочий электрод выходами подключены к входам вычислительного блока сравнения и вычислительного блока суммирования, выход вычислительного блока суммирования соединен с входом вычислительного блока измерения и индикации.

2. Устройство для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода по п. 1, отличающееся тем, что блок водоподготовки выполнен в виде последовательно соединенных воздушного компрессора, резервуара с водой, водяного насоса и блока коммутации, выходом подключенного к амперометрической ячейке, со штуцером для ввода пробы, резервуаром для хранения пробы и клапаном воздушного компрессора.

3. Способ экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода, включающий организацию забора воды из водного объекта на анализ, подачу пробы в амперометрическую ячейку устройства по п. 1, непрерывное измерение концентрации кислорода при протекании реакции биохимического окисления с помощью рабочего электрода.

Изобретение относится к инженерной экологии и гидрологии и может быть использовано при моделировании изменения качества воды поверхностных водотоков. Сущность: реку и ее притоки на цифровой топографической карте разбивают на квадраты.

Индикатор проникновения воды, использующий структуру капсулы с двойным покрытием // 2605702

Изобретение относится к индикатору проникновения воды, использующему структуру капсулы с двойным покрытием. Индикатор включает первый и второй разделительные слои, первый и второй клеевые слои, первый и второй покрывающие слои, первый и второй водонепроницаемые слои, водопоглощающий слой, слой красителя, выполненный печатанием на задней поверхности водопоглощающего слоя, и защитный слой для красителя.

Зонд для отбора проб воды и донных осадков // 2603162

Изобретение относится к области океанологии, гидрофизики, геохимии и экологии морей и может быть использовано для получения первичного материала с целью анализа взвеси, состава воды, а также для исследования связи донных осадков с картиной подводных течений и временное их распределение.

Безопасный экстракционно-флуориметрический способ определения селена в воде // 2597769

Изобретение относится к аналитической химии и касается способа определения селена в воде. Сущность способа заключается в том, что к анализируемому раствору добавляют 0,4 мл раствора 3%-ного щелочного борогидрида натрия восстановителя, закрывают пробкой, встряхивают и оставляют на 5 мин для восстановления селена до селеноводорода.

Способ выявления и отбора организмов-биосенсоров для оперативной биоиндикации и биомониторинга морских и пресных вод, включая питьевую и сточные воды // 2595867

Изобретение относится к экологии, а именно к охране окружающей природной среды, и может быть использовано для оперативной биоиндикации и биомониторинга морских и пресных вод, включая питьевую и сточные воды.

Способ выявления загрязнения пресных природных водоёмов ртутью // 2593013

Изобретение относится к экологии, а именно охране окружающей среды и способам мониторинга состояния пресных водоемов методом биоиндикации для оценки антропогенного загрязнения природных водоемов ртутью.

Способ определения нитритов // 2578024

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к методам определения нитрит-ионов, и может быть использовано при их определении в питьевых и минеральных водах.

Способ определения опасности микробиологической загрязненности воды // 2576030

Изобретение относится к гигиенической медицине и экологии и может найти применение при оценке санитарного состояния водоемов. Для этого определяют микробиологическую загрязненность воды.

Способ определения ph малобуферных предельно разбавленных водных растворов типа конденсата // 2573453

Использование: для автоматического контроля водного теплоносителя на ТЭС и АЭС. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает последовательные операции подготовки проточной пробы путем охлаждения пробы до 10-50°C и понижения давления до атмосферного, кондуктометрического измерения электропроводности (χt) и температуры (t) прямой пробы, пропуск пробы через H-катионитовую колонку, кондуктометрического измерения электропроводности (χt H) и температуры (tH) H-катионированной пробы, приведения измеренных величин электропроводности к температуре 25°C (χ, χH), проверки на достоверность, определения разности значений электропроводностей прямой и H-катионированной пробы (χ- χH) и расчет значения pH решением системы уравнений ионных равновесий водного раствора.

Изотопный способ определения природы воды в продукции скважин газовых и газоконденсатных месторождений // 2571781

Изобретение относится к газонефтедобыче и может быть использовано на стадии эксплуатации скважин газовых и газоконденсатных месторождений для определения природы воды, поступающей в продукцию скважин.

Способ оценки геометрических размеров дефектов стенки трубной секции и сварных швов по данным ультразвукового внутритрубного дефектоскопа с помощью поиска связанных индикаций // 2607766

Использование: для оценки геометрических размеров дефектов стенки трубной секции и сварных швов. Сущность изобретения заключается в том, что по данным ультразвукового внутритрубного дефектоскопа с помощью поиска связанных индикаций оценивают длину, ширину и глубину дефекта.

Мобильное устройство для экспресс-оценки состояния жидких, твердых, аморфных проб // 2598551

Изобретение относится к технике проведения экспрессного анализа жидких, твердых пищевых и непищевых продуктов, сточных, природных, питьевых вод, сыпучих и аморфных материалов, для которых необходимо быстро без подготовки пробы в нативном состоянии оценить признак доминирующего состояния, например, наличие искусственных добавок, отклонение от нормального состояния при хранении, выраженности патогенных состояний (порча), при загрязнении антропогенными, в том числе токсичными, соединениями в равновесной газовой фазе над малым объемом образца, в том числе во внелабораторных условиях и в режиме «на месте».

Способ ультразвуковой диагностики качества кристаллических и электроизоляционных материалов и соединений // 2594626

Использование: для ультразвуковой диагностики качества кристаллических и электроизоляционных материалов и соединений. Сущность изобретения заключается в том, что в исследуемом материале возбуждают электромагнитные колебания, измеряют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, с учетом которого определяют степень готовности материала, при этом снимают амплитудно-частотную характеристику тангенса угла диэлектрических потерь как без воздействия ультразвуковых колебаний, так и под их воздействием, когда диапазоны частот электрических и ультразвуковых колебаний совпадают, в результате чего в обоих случаях снимают амплитудно-частотную характеристику тангенса угла диэлектрических потерь, а о состоянии материала или клеевого соединения судят по результатам сравнения амплитуды и смещения максимумов tgδ по частоте относительно эталонного, при этом смещение на величину более 50 кГц свидетельствует о непригодности кристаллических и электроизоляционных материалов или неготовности клеевого соединения.

Способ определения степени поражения пшеницы головней // 2586284

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для установления возможности переработки в муку и комбикорма зерна пшеницы, пораженного головней.

Электрохимический способ экспресс-анализа комплексообразования амилоида-бета с ионами металлов // 2585307

Изобретение относится к области аналитической химии, электрохимии и биохимии и касается способа экспресс-анализа комплексообразования амилоида-бета с ионами металлов.

Способ определения потенциально опасных зон разрушения материала оборудования // 2582306

Изобретение относится к области дефектоскопии и может быть использовано для диагностирования оборудования на разных этапах его эксплуатации. Сущность способа основана на измерении параметров отклика электрического сигнала по всей исследуемой зоне и определении экстремумов, характеризующих очаг зарождения разрушения.

Устройство для измерения концентрации газа, способ оповещения и программа // 2581737

Использование: для измерения концентрации газа. Сущность изобретения заключается в том, что устройство измерения концентрации газа содержит: измерительную секцию, выполненную с возможностью измерения концентрации газа на основе выходного сигнала датчика газа; таймерную секцию, выполненную с возможностью измерения времени, истекшего с момента измерения концентрации газа измерительной секцией; и секцию оповещения, выполненную с возможностью выдачи оповещения, в случае, когда датчик газа оказывается изолирован от наружного воздуха, когда измеренное истекшее время меньше заданного времени вентиляции.

Способ изготовления датчика влажности // 2579807

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к области использования графена (мультиграфена) и может найти широкое применение для изготовления датчиков влажности резистивного типа, применяемых в радиотехнике, электронной промышленности, энергетике и сельском хозяйстве.

Радиоволновый фазовый способ измерения толщины диэлектрических материалов // 2579173

Использование: для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Сущность изобретения заключается в том, что одновременно излучают электромагнитные волны с частотой F1 и частотой в k раз выше kF1 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ1 между принимаемой волной с частотой kF1 и волной с частотой F1, предварительно умноженной на k, после этого одновременно излучают электромагнитные волны с другой частотой F2 и частотой в k раз выше kF2 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ2 между принимаемой волной с частотой kF2 и волной с частотой F2, предварительно умноженной на k, толщину диэлектрической пластины определяют по фазам φ1 и φ2.

Способ контроля качества пропитки обмоток электротехнических изделий // 2568144

Изобретение относится к электротехнике, а именно к неразрушающим способам контроля качества технологических процессов производства электротехнических изделий. Согласно способу у каждой обмотки измеряют до пропитки и после пропитки электрические параметры, в качестве которых выбраны сопротивления двух фаз соединенной в звезду обмотки.

Способ вихретокового контроля // 2610350

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при вихретоковом контроле электропроводящих объектов для дефектометрической оценки выявляемых в них дефектов. Способ вихретокового контроля заключается в том, что компенсируют вихретоковый сигнал подключенного к электронному блоку накладного вихретокового преобразователя, устанавливают вихретоковый преобразователь над трещиной, регистрируют изменение вихретокового сигнала относительно скомпенсированного вихретокового сигнала и используют полученное изменение для определения глубины трещины на контролируемом участке, при этом компенсацию вихретокового сигнала выполняют при установке вихретокового преобразователя на контролируемом участке, перед компенсацией и перед регистрацией изменения вихретокового сигнала относительно скомпенсированного вихретокового сигнала под рабочим торцом вихретокового преобразователя размещают немагнитную электропроводящую пластину с отверстиями, устанавливаемыми поочередно по оси вихретокового преобразователя, а диаметры отверстий при компенсации и при регистрации изменения вихретокового сигнала выбирают различными. Технический результат – повышение достоверности дефектометрической оценки глубины трещин. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.