Отбор проб в жидкие среды и на твердые сорбенты. Отбор проб в контейнеры
Отбор парогазовых веществ в жидкие поглотительные среды – наиболее распространенный способ отбора проб. Анализируемые вещества растворяются или вступают в химическое взаимодействие с поглотительной средой (хемосорбция), которая обеспечивает полноту поглощения за счет образования нелетучих соединений. При этом упрощается подготовка пробы к анализу, который обычно проводят в жидкой фазе.
Отбор проб в растворы осуществляют аспирацией исследуемого воздуха через поглотительный сосуд с каким-либо растворителем (органические растворители, кислоты, спирты, вода, смешанные растворы). Скорость пропускания воздуха может меняться в широких пределах – от 0,1 до 100 л/мин.
Полнота поглощения зависит от многих факторов, в том числе от конструкции поглотительных сосудов. Наибольшее распространение получили абсорберы со стеклянными пористыми пластинками, поглотительные сосуды Рыхтера, Зайцева.
Для физической адсорбции важно, чтобы поверхность соприкосновения фаз была наибольшей. В поглотителях с пористой пластинкой этот эффект достигается за счет уменьшения пузырьков воздуха при прохождении его через пористый фильтр, вследствие чего увеличивается контакт воздуха с раствором, а скорость аспирации может быть повышена до 3 л/мин.
Более эффективным является поглощение, основанное на химических реакциях исследуемых веществ с поглотительной жидкостью. Например, для поглощения аммиака и аминов применяют разбавленную серную кислоту, для поглощения фенола – раствор щелочи.
Для проверки эффективности работы поглотительного сосуда к нему присоединяют последовательно еще один или два поглотителя. Пробу воздуха с известным содержанием вредного вещества пропускают через все абсорберы и затем поглотительные растворы из каждого сосуда анализируют.
"Проскок" (К, %) вычисляют по формуле
(4.3)
где А2 – масса вещества во втором абсорбере, мкг; А1 – масса вещества в первом абсорбере, мкг.
Степень поглощения (Э, %) вычисляют по формуле
(4.4)
Эффективность поглощения считают достаточной, если в первом сосуде абсорбировалось около 95% исследуемого вещества.
Гранулированные сорбенты для отбора паров химических веществ из воздуха начали применять в конце 60-х гг. XX в. в связи с широким развитием газовой хроматографии.
Способ отбора проб воздуха в жидкости для газохроматографического анализа в большинстве случаев неприемлем, так как не позволяет проводить концентрирование веществ из большого объема воздуха вследствие улетучивания растворителей и связанных с этим потерь анализируемых веществ.
Применение твердых сорбентов дает возможность увеличить скорость пропускания воздуха (по сравнению с пропусканием через жидкость) и за короткое время накопить исследуемое вещество в количестве, достаточном для его определения. Твердые сорбенты позволяют также осуществлять избирательную сорбцию одних веществ в присутствии других, кроме того, твердые сорбенты удобны как в работе, так и при транспортировке и хранении отобранных проб.
Твердые сорбенты, применяемые для отбора проб воздуха, должны обладать механической прочностью, иметь небольшое сродство с водяными парами (т.е. плохо сорбировать их), легко активироваться, иметь максимальную сорбционную способность по отношению к анализируемым веществам, а при анализе легко десорбировать поглощенное вещество, иметь однородную структуру поверхности.
Для анализа воздуха применяют три группы твердых адсорбентов, однако ни один из сорбентов не является универсальным. Первая группа представляет собой гидрофильные неорганические материалы типа силикагелей и молекулярных сит. Вторая группа – гидрофильные неорганические материалы – активные угли. К третьей группе относят синтетические макропористые органические материалы с высокой степенью гидрофобности и небольшой удельной поверхностью – это пористые полимеры.
Силикагели (SiО2 • Н2О) представляют собой гидрофильные сорбенты с высокоразвитой капиллярной структурой геля. Адсорбционная способность силикагеля обусловлена наличием на его поверхности силанольных групп Si–ОН, способных к образованию водородных связей с молекулами сорбата. Силикагели избирательно поглощают примеси полярных соединений, таких как амины, спирты, фенол, альдегиды и аминоспирты. Однако этот адсорбент применяют в практике анализа загрязнений реже, чем активный уголь и полимерные сорбенты. Это обусловлено его гидрофильностью, что приводит к значительному снижению сорбционной емкости ловушек.
Угли являются неполярными сорбентами с сильно развитой пористой структурой. Удельная поверхность активного угля достигает 1000 м2/г, уголь способен прочно удерживать большинство органических соединений и некоторые неорганические газы при обычной температуре. Воздух пропускают со скоростью 0,1 –1,0 л/мин. Эффективность улавливания составляет 80–100%, а адсорбционная емкость сорбента может достигать сотен миллиграммов.
Активные угли избирательно поглощают углеводороды и их производные, ароматические соединения, слабее – низшие алифатические спирты, карбоновые кислоты, сложные эфиры. Сконцентрированные на активном угле примеси удерживаются очень прочно, и десорбировать их при нагревании практически невозможно. Для извлечения примесей из ловушек с активным углем используют экстракцию.
В условиях повышенной влажности применение активного угля и силикагеля для отбора проб становится практически невозможным. В этом случае рекомендуется применять полимерные пористые сорбенты, такие как порапаки, хромосорбы, полисорбы, тенакс и др.
Пористые полимеры инертны, гидрофобны, обладают достаточно хорошо развитой поверхностью, эффективно улавливают из воздуха примеси вредных веществ и не менее легко отдают их при термодесорбции. Успешно применяются для улавливания из воздуха примесей с большой молекулярной массой и таких опасных приоритетных загрязнителей, как пестициды, диоксины. Эффективность улавливания на полимерных сорбентах составляет 88–100%. Недостатком является плохая адсорбция газов и паров низкомолекулярных соединений.
Для концентрирования вредных веществ из воздуха в качестве адсорбентов применяют также непористые адсорбенты – карбонат калия, сульфат меди, хлорид кальция и др. Преимуществом таких адсорбентов является высокоэффективная десорбция сконцентрированных микропримесей, в том числе одновременное переведение в раствор как самого сорбента, так и адсорбированных на его поверхность химических веществ.
Для быстрого и эффективного отбора микропримесей используют пленочные сорбенты, представляющие собой стеклянную крошку с размером зерен 3–5 мм, обработанную раствором, образующим пленку. Такой тип адсорбентов применяют для концентрирования из воздуха диметиламина, хлороводорода, фтороводорода и др.
Метод отбора проб в контейнеры рекомендуется для летучих веществ, содержащихся в воздухе в значительных концентрациях, а также при использовании для анализа метода газовой хроматографии, обладающего достаточно высокой чувствительностью. Для отбора проб воздуха применяют шприцы, газовые пипетки и бутыли.
К ограничениям этого метода отбора можно отнести следующие:
- • ограниченный набор определяемых соединений;
- • ограничение предела обнаружения примесей;
- • сорбция компонентов на стенках контейнеров;
- • возможность протекания химических реакций при хранении пробы в контейнере в присутствии влаги и кислорода воздуха.
Криогенное концентрирование и концентрирование на фильтрах
Криогенное концентрирование применяют при отборе из воздуха нестабильных и реакционноспособных соединений. Техника криогенного концентрирования сводится к пропусканию исследуемого воздуха через охлаждаемое сорбционное устройство с большой поверхностью, например через стальные или стеклянные трубки, заполненные инертным носителем (стеклянными шариками, стеклянной ватой). В качестве хладагентов используют следующие смеси:
- • лед – вода (0°С);
- • лед – хлорид натрия (-16°С);
- • твердая углекислота – ацетон (–80°С);
- • жидкий азот (-185°С).
Степень обогащения пробы целевыми компонентами может быть при этом очень высокой (100–1000 раз и более). Однако применение такого способа извлечения примесей из воздуха затрудняет предварительное удаление влаги, которая, конденсируясь в ловушках, мешает газохроматографическому определению примесей и увеличивает предел их определения. Эффективность криогенного извлечения примесей из воздуха очень высока – от 91 до 100%.
Хемосорбция представляет собой адсорбцию, сопровождающуюся химическим взаимодействием поглощаемого вещества и сорбента, обработанного соответствующим растворителем (реагентом). Хемосорбция протекает очень быстро, поэтому адсорбируются незначительные количества загрязняющих веществ. Примером использования для аналитических целей хемосорбентов являются индикаторные трубки. В качестве носителей в индикаторных трубках используют силикагель, оксид алюминия, фарфор, стекло, хроматографические сорбенты. Определение основано на линейноколористическом принципе, отражающем зависимость длины окрашенного слоя от концентрации вещества. Концентрацию находят по шкале, прилагаемой или нанесенной на трубку.
Вещества, находящиеся в воздухе в виде высокодисперсных аэрозолей (дымов, туманов, пыли), концентрируют на различных фильтрующих волокнистых материалах (перхлорвиниловая ткань, ацетилцеллюлоза, полистирол, стекловолокно). Перспективными являются фильтры, состоящие из волокнистого фильтрующего материала, импрегнированного тонкодисперсным активным углем. Большой интерес также представляют фильтры, импрегнированные твердым сорбентом, с добавлением химических реагентов.
Для улавливания паров и аэрозолей ртути и паров иода используют фильтры, в качестве основы которых используют ткань, на которую нанесен сорбент, обработанный нитратом серебра (для йода) и йодом (для ртути).
Фильтры позволяют проводить отбор проб воздуха как при положительных, так и при отрицательных температурах и высоких скоростях аспирации воздуха.
