Способ количественного определения угольной пыли в атмосферном воздухе

Авторы патента:

G01N21/17 - системы, в которых на падающий свет влияют свойства исследуемого материала (в которых исследуемый материал оптически возбуждается с тем, чтобы вызвать изменение длины волны падающего света G01N 21/63)

Владельцы патента RU 2626602:

Федеральное бюджетное учреждение науки "Екатеринбургский медицинский-научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора) (RU)

Изобретение относится к химии, экологии, а именно к способам исследования токсичных химических веществ в окружающей среде и установлении их контроля. Способ заключается в подготовке образцов пыли, отобранной из атмосферного воздуха, с помощью экстракции хинолином при нагревании и обработке ультразвуком и дальнейшем количественном измерении оптической плотности полученного раствора угля в видимой области спектра поглощения. Экстракцию угольной пыли из пылевого микста атмосферного воздуха проводят хинолином при нагревании до 250-280°C и обработке ультразвуком с частотой 30-65 кГц в течение 10-15 минут. Получают две фазы: угольную пыль в растворе, неорганическую пыль - нерастворимый осадок. Угольную пыль в растворе хинолина определяют спектрофотометрически при аналитической длине волны поглощения раствора угля 622 нм, содержание угля определяют по предварительно построенной градуировочной характеристике - зависимости C=f(D), где C - концентрация определяемого вещества (мкг/мл); D - оптическая плотность исследуемого раствора. Достигается возможность солюбилизации твердых органических материалов с образованием одного солюбилизированного органического растворимого вещества. В солюбилизированное органическое растворимое вещество превращается свыше 95% твердого органического материала. 1 пр.

Изобретение относится к химии, экологии, а именно к способам исследования токсичных химических веществ в окружающей среде и установлении их контроля.

Селективное количественное измерение одного из видов пылевых аэрозолей в атмосферном воздухе в присутствии других является актуальнейшей проблемой, поскольку выбрасываемые промышленными предприятиями загрязняющие токсичные вещества формируют трудноразделяемый микст различных органических и неорганических веществ.

Оценка того или иного вида пыли проводится по установленной для атмосферного воздуха предельно-допустимой концентрации (ПДК). В настоящее время разработано ПДК для порядка 30 видов пыли: взвешенные вещества (неидентифицированная пыль), неорганическая пыль с различным содержанием диоксида кремния, пыль асбестосодержащая, абразивная пыль, зерновая пыль, пыль растительного происхождения, пыль хлопковая, пыль полиметаллическая свинцово-цинкового производства, пыль крахмала и др. Присутствие в атмосферном воздухе нескольких видов пыли осложняет задачу их раздельного селективного определения.

Методика определения пыли в воздухе, представленная в п. 5.2.6 [1], основана на количественном гравиметрическом определении. Гравиметрическое определение не позволяет селективно определить все составляющие.

В литературе не описано способов разделения сложного микста пылевых аэрозолей для селективного определения его составляющих - органического или неорганического происхождения.

Уголь представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля - битумные массы и в меньшей степени (непромышленные запасы) - органические остатки растительного происхождения. В зависимости от степени метаморфизма и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые (лигниты), каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация - лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты соответственно. Все ископаемые промышленной добычи угли классифицируются на марки: А - антрацит; Б - бурый; Г - газовый; Д - длиннопламенный; Ж - жирный; К - коксовый; ОС - отощенный спекающийся; СС - слабоспекающийся; Т - тощий [2].

Бурый уголь - твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65-70% углерода, 43% воды и до 50% летучих веществ, наиболее молодой из ископаемых углей.

Каменный уголь - горная порода, представляющая собой продукт глубокого метаморфизма битумных масс. По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75% до 95%, до 12% влаги (3-4% внутренней), до 32% летучих веществ.

Антрацит - уголь наиболее высокой степени углефикации. Образуется из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Природный уголь представляет собой гетерогенный материал сложного состава, в основе которого лежит макромолекулярная структура органических соединений, связанных с процессами метаморфизма [3-5]. Вследствие неоднородности и сложности структуры угля, выделение отдельных составляющих и их количественное измерение практически неосуществимо и, в целом, удлинит время подготовки, удорожит процесс исследования (идентификации, количественного измерения).

Известно изобретение по патенту RU 2526254 С2 «Способ растворения угля, биомассы и других твердых органических материалов в перегретой воде» [6], в котором рассматриваются процессы солюбилизации твердых органических материалов путем взаимодействия твердого органического материала, такого как уголь или биомасса, с окислителем (источники образования молекулярного кислорода, например, перекись водорода) в перегретой воде (температура от 100°C до 374°C) с получением раствора угля (или биомассы).

Таким образом, раствор угля можно использовать для количественного измерения с помощью спектров поглощения - фотометрированием. При этом следует подобрать условия фотометрирования: аналитическую длину волны из спектра поглощения и толщину слоя раствора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототипом) количественного определения является способ химического определения пыли взрывчатых веществ по содержанию основного действующего вещества - диалюминия триоксида - спектрофотометрическим методом [7], заключающийся в отборе проб воздуха на фильтры АФА-ХП-10, переводе в растворимое состояние диалюминия триоксида сплавлением с пиросульфатом калия, фотометрирование раствора комплексного окрашенного соединения, полученного в результате взаимодействия иона алюминия с арсеназо-1 при выбранной аналитической длине волны поглощения.

Поэтому на основании изложенного задачей изобретения является разработка способа подготовки образца пылевого аэрозоля, уловленного из воздуха, без идентификации отдельных составляющих с последующим его измерением. В качестве возможного варианта отделения угля от других составляющих пылевого микста рассматривается применение его физико-химических свойств (растворимость, удельный вес и пр.). Технический результат заключается в солюбилизации твердых органических материалов с образованием одного солюбилизированного органического растворимого вещества. В солюбилизированное органическое растворимое вещество превращается свыше 95% твердого органического материала.

Заявляется способ количественного определения угольной пыли в атмосферном воздухе в присутствии других видов пыли спектрофотометрическим методом, отличающийся тем, что экстракцию угольной пыли из пылевого микста атмосферного воздуха проводят хинолином при нагревании до 250-280°C и обработке ультразвуком с частотой 30-65 кГц в течение 10-15 минут, при этом получают две фазы: угольную пыль в растворе, неорганическую пыль - нерастворимый осадок; угольную пыль в растворе хинолина определяют спектрофотометрически при аналитической длине волны поглощения раствора угля 622 нм, содержание угля определяют по предварительно построенной градуировочной характеристике - зависимости C=f(D), где С - концентрация определяемого вещества (мкг/мл); D - оптическая плотность исследуемого раствора.

Указанная задача решается в заявляемом способе количественного определения угля (угольной пыли) в пылевом атмосферном миксте следующим образом.

Фильтр АФА-ВП-20 (АФА-ХП-20) с отобранной пробой угольной пыли из атмосферного воздуха помещают в термостойкий стеклянный стакан объемом 20-25 см³, приливают 10 мл хинолина, нагревают до 250-280°C. Стакан помещают в УЗ-установку (30-65 кГц) и выдерживают 10-15 минут. Раствор охлаждают и измеряют оптическую плотность при аналитической длине волны 622 нм в кварцевой кювете с крышкой и толщиной слоя 10 мм. Измерение проводят относительно оптически чистого хинолина.

Содержание угля в анализируемом объеме определяют по предварительно построенной градуировочной характеристике - зависимости C=f(D), где С - концентрация определяемого вещества (мкг/мл); D - оптическая плотность исследуемого раствора вещества (безразмерная величина).

Градуировочную характеристику устанавливают с помощью градуировочного коэффициента, который рассчитывают по формуле:

где C_i - концентрация стандартного раствора (мкг/мл);

D_i - оптическая плотность стандартного раствора;

n - количество стандартных градуировочных растворов.

Концентрацию угля в растворе определяют по формуле:

C=D⋅K⋅В⋅P,

где D - оптическая плотность измеряемой пробы;

K - градуировочная характеристика;

В - объем пробы, взятой для анализа, мл;

P - коэффициент разбавления пробы.

Концентрацию угля в пробе атмосферного воздуха (мг/м³) вычисляют по формуле:

C_в=C⋅V₁/V₀,

где С - количество угля, найденное в анализируемом объеме пробы, мкг;

V - общий объем пробы, см³;

V_o - объем атмосферного воздуха (дм³), приведенный к нормальным условиям согласно газовым законам Бойля-Мариотта и Гей-Люссака по формуле:

V_o=V_t×273×Р/(t_н+1)×Р_н,

где V_t - объем воздуха, отобранный для анализа, дм³;

Р - измеренное в день отбора барометрическое давление, мм рт. ст. (или Па);

t - температура воздуха в месте отбора пробы, °C.

Нормальные условия (t_н, Р_н), определенные IUPAC (Международным союзом практической и прикладной химии):

Т_н=273,15 K (0°C)

Р_н=760 мм рт. ст. (101325 Па)

Данный способ количественного определения угольной пыли может быть представлен на схеме (Фиг. 1).

Основанием для предлагаемого технического решения задачи изобретения являются результаты проведенного нами исследования. Приведем пример количественного определения угольной пыли заявляемым способом.

Пример 1. Количественное измерение угля в искусственной смеси пыли с частицами 2-3 мкм, все образцы в смеси - в равных долях: уголь К, уголь ТЖ, уголь Г, асбестосодержащая, алюмосиликат, кремний диоксид кристаллический (кварц), кремний диоксид аморфный (аэросил), глинозем, древесная пыль, пыль железа.

Навеска образца для исследования составляет 1,0000 мг. Фактически уголь составляет 0,3000 мг.

Согласно описанному способу экстракции навеска заливается хинолином и раствор подогревается до 250°C, разогретый раствор помещается в УЗ-установку УЗ-0,25 и обрабатывается в течение 15 минут ультразвуком с частотой 65 кГц, охлаждается. Для количественного анализа взята проба, разбавленная в 10 раз раствором хинолина, которая фотометрируется при длине волны поглощения 622 нм в кварцевой кювете с крышкой и толщиной слоя 10 мм. По градуировочной характеристике проведен расчет концентрации угля в растворе:

Оптическая плотность анализируемого раствора D=0,22

C=D⋅K⋅B⋅Р=0,21×29,1×5,0×10=305,55 мкг в пробе

Заданное количество 0,3000 мг=300,00 мкг в пробе

Проверка точности количественного определения угля:

|Х'-С_д|=K_k,

где X' - средний результат контрольного измерения содержания угля в исследуемой пробе, мкг;

С_д - концентрация угля в стандартном образце (градуировочном растворе), мкг.

Качество контрольной процедуры признают удовлетворительным при выполнении условия:

K_k≤K,

где К - норматив контроля точности, вычисляемый по формуле:

K=0,84АС_д (мкг),

где А - абсолютные погрешности определения массовой концентрации исследуемого компонента соответственно в пробе. Абсолютная погрешность количественного измерения угля в пробе составляет (по экспериментальным данным) 25%.

Расчеты: 305,55-300,00=5,55 (мкг).

К=0,84⋅0,25⋅300,0=63,0 (мкг).

K_k≤K; 5,55<63,0.

Результат удовлетворительный.

ЛИТЕРАТУРА

1. РД 52.04.186-89. «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» / Государственный комитет по гидромететорологии. Министерство здравоохранения СССР // М. - 1991. - 695 с.

2. О.Е. Шестакова. «Визуальная диагностика природных видов и технологических марок ископаемых углей».

3. ГОСТ 9414.1-94 (ИСО 7404.1-84). Уголь каменный и антрацит. Методы петрографического анализа. Часть 1. Словарь терминов / Межгосударственный Совет по стандартизации метрологии и сертификации. // Минск. - 1994. - 16 с.

4. ГОСТ 25543-88. Угли бурые, каменные и антрациты. Классификация по генетическим и технологическим параметрам. // М., ГКС СССР. - 1988.

5. Жемчужников Ю.А., Гинсбург А.И. Основы петрологии углей / Ю.А. Жемчужников. // М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 400 с.

6. RU 2526254 С2.

7. МУК 4.1.2466-09. «Измерение массовых концентраций алюминия и диалюминия триоксида (оксида алюминия) в пыли взрывчатых веществ воздуха рабочей зоны методом фотометрии».

Способ количественного определения угольной пыли в атмосферном воздухе в присутствии других видов пыли спектрофотометрическим методом, отличающийся тем, что экстракцию угольной пыли из пылевого микста атмосферного воздуха проводят хинолином при нагревании до 250-280°C и обработке ультразвуком с частотой 30-65 кГц в течение 10-15 минут, при этом получают две фазы: угольную пыль в растворе, неорганическую пыль - нерастворимый осадок; угольную пыль в растворе хинолина определяют спектрофотометрически при аналитической длине волны поглощения раствора угля 622 нм, содержание угля определяют по предварительно построенной градуировочной характеристике - зависимости C=f(D), где С - концентрация определяемого вещества (мкг/мл); D - оптическая плотность исследуемого раствора.

Изобретение относится к области исследования поверхности металлов и полупроводников и касается устройства для промера распределения поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) над ее треком.

Способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала // 2624976

Способ определения характеристик оптического канала передачи информационного сигнала включает в себя измерение затухания оптического канала от источника оптического излучения до приемника оптического излучения.

Способ контроля показателей окисления растительных масел // 2624246

Изобретение относится к способам определения окислительных показателей растительных масел и может быть использовано в масложировой промышленности при технохимическом контроле в процессе производства и применения растительных масел.

Устройство и способ определения хроматического свойства продукта питания // 2621920

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для определения хроматического свойства продукта питания. Технический результат – расширение функциональных возможностей.

Метод спектрофотометрического определения фторид-иона в природных объектах и сточных водах // 2620264

Изобретение относится к высокочувствительному, селективному, экспрессному методу количественного спектрофотометрического определения фторид-иона в природных объектах и сточных водах.

Способ двухлучевых термолинзовых измерений с обратной синхронизацией сигнала // 2615912

Изобретение относится к области спектроскопии и касается способа проведения лазерноиндуцированных двухлучевых термолинзовых измерений. Способ включает в себя не менее двух циклов измерений, каждый из которых состоит из полуцикла нагрева исследуемого объекта индуцирующим лазерным лучом и полуцикла охлаждения при закрытом или выключенном индуцирующем лазерном луче.

Способ определения характеристик топливного факела // 2575138

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к оптическим методам, и может быть использовано для контроля угла распыла дисперсных сред. Способ измерения угла распыла топлива включает зондирование распыла световым сектором вдоль оси форсунки, регистрацию матричным фотоприемником сигнала, несущего информацию о яркостном контрасте изображения продольного среза распыла, и последующее измерение угла в пределах заданной области продольного среза распыла.

Способ идентификации подлинности спиртных напитков // 2568907

Изобретение относится к инструментальным физико-химическим методам исследования спиртосодержащих жидкостей, преимущественно спиртных напитков и предназначено для установления различия между подлинной, фальсифицированной и контрафактной алкогольной продукцией.

Датчик для обнаружения целевой мишени // 2553626

Группа изобретений относится к области медицины и может быть использована для лабораторной диагностики. Датчик для обнаружения целевой мишени содержит источник света, приемник света, блок проб для связывания целевой мишени, расположенной между источником света и приемником света, блок выбора света, позволяющий свету заданной длины волны приниматься приемником света, и детектор, конфигурированный для генерирования электрического сигнала, величина которого отражает количество света, которое принимается приемником света.

Способ получения стандартного образца мутности бактериальных взвесей, стандартный образец мутности бактерийных взвесей, его применение, набор содержащий стандартный образец мутности бактерийных взвесей // 2539783

Группа изобретений относится к биохимии. Предложен способ получения стандартного образца мутности бактерийных взвесей, стандартный образец мутности бактерийных взвесей, применение стандартного образца мутности бактерийных взвесей, а также набор, содержащий стандартный образец мутности бактерийных взвесей.

Статическое устройство для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны вдоль её трека // 2629909

Изобретение относится к области оптических измерений и касается статического устройства для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) вдоль ее трека. Устройство включает в себя источник монохроматического излучения, первый фокусирующий цилиндрический объектив, элемент преобразования излучения в ПЭВ, образец с направляющей волну плоской поверхностью, пересекающее трек ПЭВ плоское зеркало, размещенный над треком вне поля ПЭВ второй фокусирующий цилиндрический объектив, фотодетекторы, измерительные приборы и устройство обработки информации. Отражающая грань плоского зеркала образует с поверхностью образца тупой угол, причем обращенное к этой поверхности ребро плоского зеркала параллельно ей и удалено от нее на расстояние, превышающее глубину проникновения поля ПЭВ в окружающую среду. Верхняя точка отражающей грани зеркала в плоскости падения удалена от образца на расстояние h, определяемое соотношением: h≥x⋅tg(α), где x - расстояние от элемента преобразования до проекции верхней точки отражающей грани на трек, α - угол наклона максимума диаграммы направленности объемного излучения с трека ПЭВ. Технический результат заключается в увеличении отношения сигнал/шум и повышении точности измерений. 1 ил.

Устройство для обнаружения сигналов рассеянного света и способ их обнаружения // 2632580

Группа изобретений относится к оптическим датчикам. Устройство для обнаружения сигналов рассеянного света содержит источник света (10), излучающий свет в одной зоне (15) рассеянного света, при этом падающий свет определяет ось падения (11), несколько оптических датчиков (21-30) для обнаружения рассеянного света, каждый из которых расположен под углом (W1-W10) датчика относительно оси падения (11)), при этом по меньшей мере один из нескольких оптических датчиков (21-30) является опорным датчиком рассеянного света, и оценочный блок для оценки сигналов, обнаруженных оптическими датчиками, при этом для классификации типа любой частицы, оценочный блок выполнен с возможностью соотнесения профилей сигналов других оптических датчиков (21-30) с профилем сигнала по меньшей мере одного опорного датчика. Способ обнаружения сигналов рассеянного света включает следующие этапы: подача света в зону (15) рассеянного света, при этом падающий свет определяет ось падения (11), и обнаружение рассеянного света, отражаемого от любых частиц, которые могут присутствовать в зоне (15) рассеянного света, посредством нескольких оптических датчиков (21-30), каждый из которых расположен под углом (W1-W10) датчика относительно оси (11) падения. Технический результат заключается в повышение точности обнаружения сигналов рассеянного света. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 20 ил.

Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны // 2645008

Изобретение относится к области оптических измерений и касается устройства для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). Устройство включает в себя источник монохроматического излучения, твердотельный образец с направляющей волну плоской гранью, элемент преобразования излучения в ПЭВ, регулируемую оптическую линию задержки, элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, фотоприемник и измерительный прибор. Элемент преобразования излучения в ПЭВ выполнен в виде цилиндрического сегмента, ось которого перпендикулярна плоскости падения излучения, а его выпуклая поверхность примыкает к грани образца и имеет протяженность линии пересечения с плоскостью падения меньше длины распространения ПЭВ. Элемент преобразования ПЭВ в объемную волну идентичен элементу преобразования излучения источника в ПЭВ. Линия задержки состоит из четырех зеркал, ориентированных перпендикулярно к поверхности образца и примыкающих к ней. Одна пара зеркал линии фиксирована на треке в плоскости падения, а вторая размещена на подвижной платформе, перемещение которой ограничено вдоль оси симметрии линии. Технический результат заключается в повышении соотношения сигнал/шум и воспроизводимости результатов измерений. 1 ил.