Диссертация (Хроматомембранный массообменный процесс в поликапиллярных матрицах и его аналитические возможности)

Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиМельниченко Артем НиколаевичХроматомембранный массообменный процессв поликапиллярных матрицахи его аналитические возможности02.00.02 – аналитическая химияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:д. т. н. Алексей Леонидович МосквинСанкт-Петербург2014ОглавлениеВведение .................................................................................................................................. 4Обзор литературы.........................................................................................................

6I.1.1. Общие сведения и методы определения содержания выбранных аналитов ввоздухе и воде ................................................................................................................................. 61.1.1. Аммиак ............................................................................................................... 61.1.2. Фенол ................................................................................................................ 141.1.3. Хлороформ и четырёххлористый углерод ....................................................

171.2. Методы разделения и концентрирования ............................................................ 221.2.1. Экстракция ....................................................................................................... 241.2.2. Жидкостная абсорбция.................................................................................... 321.2.3. Хроматографические методы разделения ..................................................... 331.2.4. Мембранные методы разделения. ..................................................................

341.2.5. Хроматомембранные методы ......................................................................... 34Поликапиллярные матрицы и их аналитические характеристики ........................ 42II.2.1. Разработкаивыбороптимальнойструктурыполикапиллярноймассообменной матрицы ............................................................................................................. 422.1.1. Изготовление поликапиллярных массообменных матриц .......................... 422.1.2. Сравнение характеристик поликапиллярных матриц с различнойконфигурацией каналов ...........................................................................................................

512.2. Сравнение эффективности массообмена в бипористых и поликапиллярныхматрицах в режиме газовой экстракции..................................................................................... 542.3. Блочные газодиффузионные фазоразделительные мембраны ........................... 582.4. Снижение величины «эффекта памяти»............................................................... 612.5. СравнениеаналитическиххарактеристикХМЯсбипористымииполикапиллярными матрицами при работе в режиме жидкостной абсорбции .....................

62III.Применение разработанной ХМЯ с поликапиллярной матрицей для анализареальных объектов ........................................................................................................................... 683.1. Определение содержания хлороформа и четырёххлористого углерода вводопроводной воде с хроматомембранной газовой экстракцией.

......................................... 6823.1.1. Схема установки и схема проведения анализа ............................................. 683.1.2. Приготовление градуировочных растворов .................................................. 703.1.3. Определение содержания хлороформа и четырёххлористого углерода вводопроводной воде ................................................................................................................. 703.2Определениесодержанияфенолаввоздухерабочейзонысхроматомембранной жидкостной абсорбцией .......................................................................... 793.2.1Приготовление рабочих растворов: ...............................................................

793.2.2Определение фенола в воздухе с поглощением в непрерывном режиме .. 803.3Хроматомембранная жидкостная абсорбция в поликапиллярных матрицахна примере определения содержания аммиака в воздухе рабочей зоны ................................ 913.3.1Приготовление рабочих растворов ................................................................ 913.3.2Схема установки и схема проведения анализа .............................................

933.3.3Выбор оптимальных условий проведения анализа ...................................... 953.3.4Определение содержания аммиака в воздухе ............................................... 97Выводы ................................................................................................................................ 109Список литературы.............................................................................................................

1103ВведениеАктивное развитие человеческой цивилизации в последние десятилетия игоды в экспоненциальной зависимости увеличивает качество и количествонаучных разработок и основанных на них технологических процессов.Цивилизация развивается – развивается и качество жизни людей. Но дажесовременные технологии в большинстве своём не безотходны, в связи с чемнеобходим строгий контроль состояния окружающей среды. Наиболее важнымиобъектами, в которых необходимо контролировать содержание опасных длячеловека загрязнителей, являются воздух и вода. Наиболее предпочтительнымидля этого являются системы непрерывного on-line контроля, требующиеминимального вмешательства оператора в свою работу, что обеспечиваетпостоянный и надёжный контроль.

Современные насосы, проточные детекторы,автоматические программируемые краны и клапаны позволяют собирать такиеустановки для анализа. Но зачастую для определения загрязнителей на уровнепредельнодопустимыхконцентрацийнеобходимоихпредварительноеконцентрирование или перевод в подходящую для детектирования форму. Этистадиианализаусложняются,еслинеобходимопроводитьопределениесодержания аналитов в потоке.Среди всего многообразия методов разделения и концентрирования междупотоками двух фаз наиболее универсальным является хроматомембранныймассообменный процесс [1], позволяющий проводить определение содержанияширокого спектра веществ, как в газовой, так и в жидкой фазе.В то же время при осуществлении хроматомембранного массообменногопроцесса в бипористых матрицах можно столкнуться с ограничениями,проявляющимися в том, что в блоках этого типа велико сопротивление движениюжидкой фазы, что недопустимо при анализе в потоке.Возможнымрешениемэтойпроблемыявляетсяиспользованиемассообменных матриц другого типа.

В них, в отличие от бипористых, гдеполярная жидкость движется по хаотично расположенным макропорам, размер4которых варьируется в достаточно широком диапазоне, она перемещается поопределённой формы и размера каналам, расположенным определённым образомв сечении массообменного блока и сонаправленным потоку жидкости.Такимобразомцельюработыявляетсяулучшениеаналитическиххарактеристик ячеек для осуществления хроматомембранного массообменногопроцесса и оценка их аналитических характеристик при функционировании всхемах концентрирования аналитов на принципах жидкостной абсорбции игазовой экстракции.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:- установить причину проявления «эффекта памяти» в ХМЯ и найти способего нивелирования;- найти оптимальную пористую структуру гидрофобных матриц дляосуществления хроматомембранного массообменного процесса с регулируемымгидравлическим сопротивлением для потока жидкой полярной фазы и способизготовления ХМЯ с подобными матрицами;- оценить аналитические характеристики ХМЯ с массообменнымиматрицамивыбранноготипаисравнитьихстрадиционнымиприфункционировании в режимах ХМЖА и ХМГЭ на примерах решения актуальныханалитических задач.5Обзор литературыI.1.1.Общие сведения и методы определения содержания выбранныханалитов в воздухе и воде1.1.1.

АммиакСвойства и влияние на человека.Аммиак - бесцветный газ с резким запахом (порог восприятия 37 мг/м3),являющийся одним из важнейших продуктов химической промышленности.Образуется при синтезе из водорода и азота воздуха, который является основнымспособом получения связанного азота. В природе образуется при разложенииазотсодержащих органических веществ. Очень реакционноспособен как всвободном виде, так и в растворах.

Водный раствор аммиака имеет щелочнуюреакцию среды вследствие образования гидроксида аммония NH4OH – слабогооснования. Аммиак хорошо растворим в воде (526 г/л), а также в эфирах и другихорганических растворителях. В промышленности используется для полученияазотной кислоты, азотсодержащих солей, мочевины, синильной кислоты, соды поаммиачному методу. Высокие концентрации аммиака в воздухе вызываютраздражение слизистых оболочек, поражение глаз, удушье, боль в желудке, рвоту.Остроеотравлениеаммиакомвызываетпоражениедыхательныхпутей,сопровождается мышечной слабостью, увеличением печени, тетаническимисудорогами, снижением порога слуха, при котором сильные звуки вызываютновые приступы судорог.