Способ измерения концентрации примеси в газе

Способ измерения концентрации примеси в газе

Реферат

 

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к измерению концентрации пара примесей в газе. Сущность: анализируемый поток облучают ультрафиолетовым светом для образования ядер конденсации. До обеспечения вводят в поток пары веществ, конденсирующихся на ядрах с образованием аэрозоля. Облучение проводят светом резонансного излучения данной примеси. 1 ил.

Изобретение относится к технике газового анализа, в частности к определению и измерению концентрации пара некоторых примесей в газе. Для измерения концентрации пара ртути в воздухе наиболее известно применение метода атомно-адсорбционной спектроскопии, в котором концентрацию ртути измеряют по ослаблению луча света (=253,7 нм) в кювете с парами ртути. Предел определения составляет приблизительно 1-5 нанограмм ртути. Чувствительность измерений в этом способе оказывается недостаточной для решения ряда задача, например, в геологической разведке, а также в некоторых технологических процессах с использование ртути в качестве трассера. Избирательность способа также бывает недостаточной из-за влияния поглощения в этой области ультрафиолетового излучения ароматическими углеводородами и некоторыми другими органическими веществами. Известен также способ высокочувствительного анализа газовой примеси в воздухе, который состоит в том, что из примеси или с ее помощью путем гомогенной химической или фотохимической реакции, одним из продуктов которой является малолетучее вещество, образуют ядра конденсации и вводят в анализируемый поток перенасыщенные пары вещества, укрупняющие ядра конденсации до величины аэрозольных частиц. Образование аэрозольных частиц проводят путем последовательной добавки в анализируемый поток сначала паров весьма малолетучего вещества, специфически проявляющего отдельные молекулы примеси или молекулы продуктов химической реакции с примесью, а затем пересыщенных паров более летучего вещества, укрупняющего полученные зародыши до величины монодисперсных аэрозольных частиц, размеры которых удобны для измерения. Недостатком этого способа является слабая избирательность, недостаточная чувствительность определения примеси, в частности паров ртути, и отсутствие конкретных условий конвертирования атомов ртути в ядра конденсации. Некоторую избирательность при определении концентрации примеси в воздухе можно получить подбором проявителя, т.е. вещества, пересыщенный пар которого конденсируется на ядрах конденсации, полученных из примеси. Однако эффективные проявители позволяют определить концентрацию сравнительно широкого класса вещества. Так, в пересыщенном паре гетероциклических карбоновых кислот (например, 2,6-пиридиндикарбоновой) проявляются примеси металлоорганических соединений некоторых металлов (свинец), аминов, амидов. Чувствительность такого способа ограничена неполнотой конвертирования и потерями конвертированных ядер на стенках фотореактора и в последующих коммуникациях. Эти недостатки связаны с тем, что фотохимическое конвертирование примеси предшествует введению в анализируемый поток паров веществ, проявляющих ядра конденсации. В последующих вариантах этого метода молекулярных ядер конденсации, в том числе с применением веществ, активирующих проявление ядер конденсации, последовательность приемов сохраняется, т.е. облучение анализируемого потока газа предшествует смешению его с парами активирующих, проявляющих и укрупняющих веществ. Такая последовательность вызвана тем, что в случае широкого спектра конвертирующего излучения пары активирующих, проявляющих и укрупняющих веществ, а также примеси к ним могут сами конвертироваться в ядра конденсации и увеличивать фон, мешающий определению измеряемой примеси, т.е. снижающий избирательность и чувствительность определений. Целью изобретения является избирательное определение пикоконцентраций примесей паров элементов в газах в частности паров ртути в воздухе, в широком диапазоне линейной зависимости полезного сигнала от концентрации примеси. Поставленная цель достигается способом измерения концентрации примеси в газе, включающим облучение анализируемого потока ультрафиолетовым светом для конвертирования примеси в ядра конденсации, введение в поток паров веществ, конденсирующихся на ядрах с образованием аэрозоля, отличающимся тем, что, с целью достижения высокой избирательности и чувствительности определения данной примеси, в частности паров ртути, пары конденсирующихся веществ вводят в анализируемый поток до его облучения, а облучение потока смеси проводят светом резонансного излучения пара примеси. Изменение последовательности операций введения конденсирующихся веществ и фотоконвертирования в сочетании с использованием резонансного излучения определяемой примеси дает значительный положительный эффект. На примере определения ртути в воздухе достигнута возможность измерения концентрации ртути порядка десятых долей пикограмма на литр газа. При этом органические примеси практически не мешают определению ртути. Достоинством предлагаемого способа является также большой динамический диапазон (более пяти десятичных порядков) линейной зависимости полезного сигнала от концентрации ртути, а также малое энергетическое потребление источника резонансного излучения. Улучшение избирательности за счет резонансного излучения имеет очевидное объяснение. Повышение чувствительности предположительно объясняется следующим. Фотоконвертирование атомов пара ртути в ядра конденсации заключается в образовании молекул окислов ртути. Окисление фотовозбужденных атомов ртути в присутствии таких, например, веществ, как карбоновые кислоты, идет полнее, чем без них (в чистом воздухе). Одновременно с улучшением полноты конвертирования присутствие паров конденсирующихся веществ в зоне фотовозбужденных атомов ртути сопровождается укрупнением ядер. Подвижность их уменьшается и соответственно уменьшаются потери ядер на стенках коммуникаций. Способ осуществляют следующим образом. Непрерывный поток анализируемого газа очищают от взвешенных частиц аэрозольным фильтром. Исследования показали, что газовые примеси, в частности пары ртути, проходят через целлюлоидно-асбестовые, стекловолокнистые аэрозольные фильтры, а также через фильтры типа ФПП. В анализируемый поток вводят пары карбоновой кислоты (например, м-фталевой, -аминовалериановой). Ввод паров осуществляют смешением разнотемпературных потоков в приборе типа КУСТ. В зоне смешения введенные пары оказываются в пересыщенном состоянии. Через кварцевое окно эту зону облучают светом резонансного излучения определяемой примеси. Для ртути источником служит ртутная лампа низкого давления. Атомы примеси (ртути) под воздействием такого излучения, переходят в возбужденное состояние и эффективно конвертируются в ядра конденсации, которые тут же проявляются, превращаясь в аэрозольные частицы. Счетная концентрация образующихся частиц пропорциональна концентрации определяемой примеси. С помощью фотоэлектрического аэрозольного фотометра (ФАН) Загорского оптико-механического завода счетную концентрацию измеряют в большом динамическом диапазоне (более пяти десятичных порядков). Схема для осуществления предлагаемого способа приведена на чертеже, где показаны поглотитель 1 анализируемой примеси, аэрозольный фильтр 2, проявляющий прибор 3 типа КУСТ, источник 4 резонансного излучения анализируемой примеси, укрупняющий прибор 5 типа КУСТ, фотоэлектрический счетчик 6 аэрозольных частиц, самописец 7. Механизм конвертирования атомов ртути в ядрах конденсации в описанном способе не вполне установлен. Предлагаемыми стадиями его являются: возбуждение атомов ртути, реакция возбужденных атомов с кислородом (и, возможно, с озоном) воздуха, реакция образующегося окисла с молекулами карбоновой кислоты. Образующийся кластер тут же проявляется в аэрозольную частицу, за счет физической конденсации на нем пересыщенного пара карбоновой кислоты. Предельно определяемая описанным способом концентрация ртути в воздухе составляет десятые доли пикограмма на литр или 10^-14 объемной доли. Определению ртути не мешают примеси органических веществ, например ароматические углеводороды, поглощающие резонансную линию излучения ртути (= 253,7 нм). Если в анализируемом газе присутствуют примеси, эффективно проявляющиеся в парах карбоновой кислоты, то для уменьшения их мешающего действия конвертирование проводят при малом перемещении пара кислоты, образующиеся ядра проявляют затем в пересыщенном паре другого проявителя, более индифферентного к мешающим примесям. В этом случае ввод паров карбоновой кислоты осуществляют путем прямого испарения ее в анализируемый поток, облучают смесь в трубке прозрачного кварца. Принципиальная схема способа и все ее преимущества, полученные на примере ртути, сохраняют свое значение при определении концентрации других примесей при облучении их резонансным излучением данной примеси. В частности для цинка =307,59 нм, а для кадмия =326,1 нм. Таким образом, положительный эффект способа состоит в избирательном измерении концентрации газовых примесей при облучении их резонансным излучением. Чувствительность измерения концентрации ртути в воздухе 10^-1 пикограмм на литр при линейной зависимости полезного сигнала от концентрации ртути в диапазоне более пяти десятичных порядков. Способ позволяет проводить измерения концентрации примеси непрерывно.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В ГАЗЕ, включающий облучение анализируемого потока ультрафиолетовым светом для конвертирования примеси в ядра конденсации, введение в поток паров веществ, конденсирующихся на ядрах с образованием аэрозоля, отличающийся тем, что, с целью достижения высокой избирательности и чувствительности определения данной примеси, пары конденсирующихся веществ вводят в анализируемый поток до его облучения, а облучение потока смеси проводят светом резонансного излучения данной примеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1