Том 2 (1109662), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Схема CHN-анализатора на основе газохроматографическогоразделения.Масса навески пробы составляет 0,1-0,3 мг. Сожжение производят в атмосфере кислорода при 9000C (рис. 7.13). При этом углеродпревращается в СО2 и частично СО, водород сгорает до воды, аазот высвобождается в форме N2 или оксидов азота. Газовую смесьпропускают через реактор — трубку, заполненную порошкообразным реагентом (на основе оксида меди) и нагретую до 7500C. В реакторе СО полностью окисляется до СО2, оксиды азота превращаются в N2, а избыток кислорода удаляется. Далее смесь газов следует через конвертор воды — трубку, заполненную карбидом кальция.При этом вода превращается в ацетилен — вещество, находящееся,в отличие от воды, в газообразном состоянии и при температурениже 1000C.
Для отделения анализируемой газовой смеси от примесей и других продуктов сгорания ее пропускают через ловушку,охлаждаемую жидким азотом. Наконец, полученную газовую смесьанализируют методом газовой хроматографии, используя в качестве газа-носителя гелий, а в качестве детектора — катарометр.По окончании анализа из ловушки удаляют конденсат, пропускаячерез нее ток гелия в обратном направлении.Этим методом невозможно определить кислород и серу. Их определяют отдельно, превращая в диоксид углерода и диоксид серы,соответственно.
Для определения, кислорода пробу подвергают пиролизу в присутствии платинированного угля; при этом кислородпревращается в СО. Далее СО окисляют до СО2 в реакторе с оксидом меди, как описано выше.Лабораторные роботыЕще одно направление автоматизации процесса анализа — использование лабораторных роботов. Лабораторный робот представля-* H M № > i4o.V,,цъ , iftw." v'7.2. Химические сенсорыет собой механический манипулятор, устроенный подобно человеческой руке. Он имеет несколько подвижных стержней, аналогичныхпальцам, которые приводятся в движение при помощи системы двигателей и могут перемещаться в различных плоскостях.
С помощьютаких манипуляторов можно выполнять самые разнообразные механические действия с анализируемой пробой: взвешивание, диспергирование (разбавление), операции пробоподготовки, включая смешение с реагентами, управление измерительными приборами (рис. 7.14).Выполнение всей последовательности операций можно осуществлятьпрограммным путем.О \ устройство дляО QVпробоподготовки°о°набор пробе-• сосуды с) растворами^__, ' реагентовдозированиеразбавлениеэкстракцияР и с . 7.14. Лабораторный робот и его окружение.Лабораторные роботы широко применяются при манипуляцияхс токсичными веществами и пробами неизвестного состава. Так,в производственных лабораториях весь цикл анализа органическихвеществ методом ЯМР выполняют при помощи роботов с тем, чтобы оператор не вступал в непосредственный контакт с неизвестнымвеществом.7.2. Химические сенсорыПотребность в разработке химических датчиков (сенсоров) обусловлена многими причинами.
Во-первых, сенсоры призваны хотя быотчасти заменить собой выполнение длительных и трудоемких методик химических методов анализа. Характерным примером может служить тенденция к замене метода фотометрии пламени для166Глава 7. Автоматизация анализа и производственный анализопределения калия, натрия, лития и кальция в крови на химическиедатчики на основе ионселективных электродов.Во-вторых, использование сенсоров неразрывно связано с автоматизацией производственных процессов.
Для управления и контроля производства необходимо постоянное измерение множествахимических параметров. Наилучшим средством таких измеренийнепосредственно в технологическом производственном потоке (раздел 7.3) являются химические сенсоры. Для использования на производстве к сенсорам предъявляется много требований. Они должныбыть надежны в эксплуатации, иметь большой срок службы и бытьустойчивы к воздействиям высоких и низких температур.В таких областях, как водное хозяйство, охрана окружающейсреды, служба техники безопасности, медицина, необходимо постоянное наблюдение и контроль (мониторинг) целого ряда химических параметров.
Примерами самых простых задач такого рода могут служить непрерывный контроль величины рН и мутности питьевых или сточных вод. Для решения этих задач можно использовать стеклянный электрод и оптический сенсор. В ближайшее время, вероятно, возникнет острая необходимость в организации такого же непрерывного внелабораторного контроля за содержанием тяжелых металлов или органических веществ в водах. Соответствующие сенсоры должны не реагировать на индивидуальные вещества,а измерять суммарные параметры загрязненности.В области охраны окружающей среды актуальной задачей является контроль за выбросами из дымовых труб, за содержанием оксидов азота и серы в атмосфере.
Очень удобным средством такого контроля могут служить газовые сенсоры (оптические и микроэлектронные) . Значительно труднее организовать непрерывныйконтроль загрязнений почвы или донных отложений. Для этого потребуются сенсоры, способные осуществлять дистанционный анализ твердых тел.Для оценки общего уровня загрязненности нужны недорогие, выпускаемые массовыми партиями датчики, от которых требуется регистрация лишь суммарных (за определенный период времени) илимаксимальных (пиковых) показателей.
Для горнодобывающей промышленности необходимы датчики на взрывоопасные газы, а дляметеорологии — датчики влажности или содержания СО в атмосфере.В медицине бывает необходимо непосредственно в ходе хирургической операции постоянно контролировать соотношение калияe»<-•:•«» P .:-г-.-. , • •:•7.2. Химические сенсоры 167и натрия в отдельно взятой клетке организма, поскольку эта величина является одним из важнейших показателей общего состоянияпациента.
Роль подобных измерений in situ непрерывно возрастает.Химические сенсоры незаменимы и для контроля за концентрациейв организме лекарственных средств и продуктов их метаболизма,анестетиков. В перспективе подобные задачи призваны решать сенсоры нового поколения, не вводимые непосредственно в организм.Уже есть примеры использования такого рода сенсоров для определения глюкозы в крови на основании путем регистрации спектраногтей в ближней ИК-области.Требования к химическим сенсорам и основныепринципы их действияОфициальное определение химического сенсора гласит:химический сенсор — это измерительное устройство, обычнонебольших размеров, способное непрерывно измерять концентрацию какого-либо компонента в потоке жидкости или газаи преобразовывать химическую информацию в электрическийили оптический сигнал.Сенсор состоит из химически чувствительного слоя («распознавателя» веществ), преобразователя исходной химической информации в электрический или оптический сигнал и устройства регистрации и вывода данных, интегрированного в корпус сенсора.
Примером химического сенсора может служить ионселективный электрод.В нем химически чувствительным слоем является твердая или жидкая мембрана, а исходная химическая информация преобразуетсяв электрический сигнал — величину потенциала, которую можноизмерить при помощи соответствующего измерительного прибора.К химическим сенсорам предъявляется множество разнообразных требований. Часть из них является общими для любых методованализа, часть — специфическими.
Важнейшие из требований представлены в табл. 7.4.Наличие такого множества различных требований означает, чтоне может быть единого принципа работы химического сенсора, пригодного для всех случаев. Обзор основных принципов действия химических сенсоров приведен в табл. 7.5. Некоторые из них мы ужеобсуждали в главах, посвященных соответствующим методам анализа, поэтому здесь мы остановимся лишь на особенностях реализации этих принципов применительно к сенсорам. Новые принципы,168 Глава 7. Автоматизация анализа и производственный анализположенные в основу микроэлектронных и оптоволоконных сенсоров, мы рассмотрим подробнее.Таблица 7.4.Основные характеристики химических сенсоров и требования, предъявляемые к ним.Характеристика, требованиеЧувствительностьДинамический диапазонСелективность, специфичностьВременной дрейфВоспроизводимостьВозможность миниатюризацииМеханическая устойчивостьВремя откликаВремя эксплуатацииСовместимость с окружаюпщми условиями (давление, температура,взрывоустойчивость, радиоактивное излучение, биосовместимость,стерильность)Электрохимические и микроэлектронные сенсорыПотенциометрические сенсорыК потенциометрическим сенсорам относятся ионселективные электроды, рассмотренные ранее в разделе 4.3.Принцип потенциометрических измерений можно применить идля определения газов таких, как диоксид углерода или аммиак, атакже некоторых органических веществ, например мочевины.Сенсоры на основе твердых электролитовДля создания сенсоров можно использовать явление электропроводности многих твердых тел при повышенных температурах.
Особенно большое практическое значение имеют оксиды, электропроводность которых обусловлена оксид-ионами. Оксидные электродыработают аналогично металлическим как окислительно-восстановительные электроды. Основой оксидных электродов служит обычноZr02 с добавками CaO или YD2O3, вызывающими образование вакансий в кристаллической структуре и тем самым увеличивающимиэлектропроводность.
Сенсоры на основе оксида циркония применяются для определения кислорода при высоких температурах — в то-(Л!M-It» U\--7.2. Химические сенсорыгм:- s -почных газах или в черной металлургии (кислородно-конверторныйпроцесс, происходящий при температурах выше 10000C).Т а б л и ц а 7.5.Основные типы химических сенсоров и принципы их действия.Принцип действияТип сенсораИзменение электропроводностиоксидно-полупроводниковые на основе органических полупроводниковионселективные электроды твердотельные газовые на основе полевыхтранзисторовИзменение потенциалаИзменение силы токаамперометрические (датчик Кларка, ферментные, иммуносенсоры,зонды на основе твердых электролитов)Изменение резонансной частотыпьезоэлектрические весы поверхностно-волновые акустическиеИзменение оптических характеристикдатчики поглощения/пропускания,мутности, флуоресценции, показателя преломленияТермооптические явленияфотоакустическиеТепловые эффектытермические/калориметрическиепеллисторыЗависимость потенциала оксидных электродов от содержаниякислорода обусловлена окислительно-восстановительным равновесиемO2 + 4е"20 2(7.2)Возможно определение кислорода непосредственно в расплавахс использованием оксидного и платинового электродов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
