Атомно-эмиссионный анализ в дуге переменного тока тяжелых металлов в отложениях нефтехимических производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

АТОМНО-ЭМИССИОННЫЙ АНАЛИЗ В ДУГЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОТЛОЖЕНИЯХ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Насибуллина Л.З.,

Ахсанова О.Л., Сагдеева Г.С.

Аннотация

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами одна из наиболее актуальных проблем, что обусловлено широким спектром негативного влияния тяжелых металлов, включая губительное влияние на растительность, почву, а также деградацию экосистемы в целом. Источники загрязнения тяжелыми металлами -- предприятия горнодобывающей и черной металлургии, нефтехимические производства, машиностроительные заводы. Определение содержания и концентрации тяжелых металлов в сложившейся экологической ситуации более чем актуально для оценки качества состояния окружающей среды. В настоящее время существуют две основные группы аналитических методов для определения тяжелых металлов: электрохимические и спектрометрические методы. Атомно-эмиссионный анализ в дуге переменного тока является мощным методом качественного анализа тяжелых металлов в отложениях нефтехимических производств, благодаря возможности одновременно определять непосредственно в порошке до 70 макро- и микроэлементов с пределами обнаружения до миллионных долей. В рамках данной работы проведены патентные исследования по определению технического уровня и выявлению научно-технических разработок.

Ключевые слова: аналитические методы, спектрометрия, химическая промышленность, тяжелые металлы.

Abstract

ATOMIC EMISSION ANALYSIS IN THE AC ARC OF HEAVY METALS IN DEPOSITS OF PETROCHEMICAL INDUSTRIES

Environmental pollution with heavy metals is one of the most pressing problems, due to a wide range of negative effects of heavy metals, including a detrimental effect on vegetation, soil, as well as degradation of the ecosystem as a whole. Sources of heavy metals pollution are mining and ferrous metallurgy enterprises, petrochemical plants, machine-building plants. Determination of the content and concentration of heavy metals in the current environmental situation is more than relevant for assessing the quality of the environment. Currently, there are two main groups of analytical methods for the determination of heavy metals: electrochemical and spectrometric methods. Atomic emission analysis in an alternating current arc is a powerful method of qualitative analysis of heavy metals in deposits of petrochemical industries, thanks to the ability to simultaneously determine directly in powder up to 70 macro- and microelements with detection limits up to millionths. As part of this work, patent studies were conducted to determine the technical level and identify scientific and technical developments.

Keywords: analytical methods, spectrometry, chemical industry, heavy metals.

Основная часть

Спектральные методы анализа, имея сравнительно недолгую историю развития, в настоящее время занимают лидирующие позиции среди инструментальных методов анализа [1, с. 19]. Промышленность наносит большой вред окружающей среде. С каждым годом масштабы экологической катастрофы увеличиваются из-за огромного выброса в окружающую среду вредных элементов, являющихся продуктами жизнедеятельности человека и деятельности промышленных производств [2, с. 6].

Металлы (преимущественно тяжелые, имеющие атомную массу более 50) относятся к числу важнейших загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества. К тяжелым металлам относятся медь, хром, цинк, молибден, марганец, свинец, кадмий, никель, мышьяк, ртуть, в очень малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности растений и человека; они присутствуют в воздухе, которым мы дышим, в воде, которую мы пьем и которой умываемся, в почве, где они поглощаются растениями и участвуют в пищевых цепях и, соответственно, в нашей пище, косметике и т. д.

Получение достоверных данных о химическом составе отложений нефтехимических производств невозможно без современных инструментальных методов анализа. Так, содержание тяжелых металлов может определяться рядом методов химического и физико-химического анализа -- весовым, спектральными, электрохимическими и другими. В зависимости от количества анализируемого вещества содержание тяжелых металлов может определяться методами полумикро- и микроанализа. Спектроскопические методы анализа основаны на использовании взаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным излучением широкого диапазона энергий [3, с. 387].

С момента создания и до настоящего времени атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС) является одним из самых распространенных экспрессных высокочувствительных аналитических методов, наиболее широко используемых для качественного и количественного химического анализа природных образцов в любом агрегатном состоянии (твердые вещества, жидкость, газ). Под АЭС понимают определение элементного состава вещества по оптическим атомным спектрам излучения, возбуждаемым в горячих источниках света. Для этого анализируемую пробу вводят в источник возбуждения, где она испаряется и переходит в атомарное состояние. Атомы возбуждаются и, возвращаясь в основное состояние, испускают кванты. Суммарное излучение разлагается в линейчатый спектр. Регистрируют наличие, положение и интенсивность спектральных линий, отвечающих разрешенным правилами квантовой механики переходам внешних валентных электронов того или иного элемента. Функцией природы атомов является длина волны спектральной линии в оптической области 200-800 нм, функцией количества -- интенсивность этих линий. Важнейший параметр источника возбуждения -- температура. Температура электрической искры постоянного или переменного тока достигает 4000-7000°K, конденсированной электрической искры -- 7000-10000°K, индуктивно связанной плазмы (ИСП) -- напротив, современный высокостабильный источник возбуждения, устойчиво поддерживающий температуру 6000-10000°K. Для этого в АЭС используют разные источники возбуждения спектров (ИВС) атомов и молекул: пламя, дуговой, искровой и тлеющий разряды, индуктивно связанную плазму, лазер и различные их комбинации [4, с. 48].

В спектроаналитической практике используются в основном два типа дуговых разрядов, а именно, дуга постоянного тока и дуга переменного тока. Рассмотрим подробнее метод атомно-эмиссионного анализа в дуге переменного тока. Метод АЭС в дуге переменного тока заключается в том, что проба отложений тяжелых металлов непрерывно (способ вдувания-просыпки) или импульсно (способ испарения из канала электрода) вводится в дуговой разряд переменного тока. Разряд возникает в промежутке (до 1 см) между двумя электродами, где происходят плавление и испарение частиц вещества, поглощение и испускание энергии плазмы атомами и молекулами исследуемой пробы, газовой среды и электродов. Обычно используются электроды из спектрально чистого графита. Излучение возбужденных атомов и молекул поступает в спектральный прибор, который включает фокусирующую, диспергирующую и регистрирующую системы. Регистрация излучения от ультрафиолетовой (УФ-) до инфракрасной (ИК-) спектральной области осуществляется фотографическим (фотопластинка, фотопленка) или фотоэлектрическим способом (фотоумножители, линейки и матрицы фотодиодов). Итогом интерпретации (расшифровки) спектра, зарегистрированного на фотопластинке, или после обработки спектра, оцифрованного фотоэлектрическим детектором, вручную или с помощью компьютерной программы является составление протокола анализа, т. е. список элементов, входящих в состав пробы, и их содержания с указанием точности результатов измерений [5, с. 282].

АЭС с дуговым разрядом (далее АЭС-ДР) входит в число лидирующих методов анализа, широко применяется для контроля в промышленном производстве, поиске и переработке полезных ископаемых, в биологических, медицинских и экологических исследованиях и т. д. Это связано, в первую очередь, с такими достоинствами метода как высокая чувствительность (пх10^-4-п*10^-6% масс.), более простая пробоподготовка в связи с отсутствием необходимости растворения пробы, широкий линейный диапазон зависимости интенсивности спектральных линий от концентрации (п*10^-5-пх10^-1%), возможность возбуждения спектра материалов с различными физико-химическими свойствами, одновременное определение до 70 элементов Периодической системы, экспрессность, а также высокая производительность.

Оборудование универсального метода АЭС-ДР достаточно простое и недорогое в обслуживании. Современное спектральное оборудование для АЭС-ДР способно обеспечить минимальные погрешности измерения спектральной интенсивности и высокую точность результатов прямого анализа проб отложений тяжелых металлов за счет стабильности дуговых источников возбуждения спектров атомов; применения светосильных полихроматоров и экспрессной цифровой записи огромного числа спектральных данных многоканальными детекторами излучения на основе твердотельных линеек и матриц. Программное обеспечение (ПО) таких спектрометров управляет и синхронизирует работу ИВС, диспергирующей и детектирующей систем при получении, регистрации и обработке спектральной информации. Однако, ПО дуговых спектрометров по-прежнему базируется на способах обработки спектров, предложенных в первой трети прошлого века M. Slavin, Б. А. Ломакиным и G. Scheibe. Современные компьютеризированное оборудование для прямых методик АЭС-ДР обеспечивает минимальные погрешности измерения спектральной интенсивности за счет высокой стабильности источников возбуждения спектров атомов и молекул, применения светосильных полихроматоров и экспрессной цифровой записи огромного количества спектральных данных многоканальными детекторами излучения.

Для определения уровня техники и поиска новшеств в методах атомно-эмиссионного анализа в дуге переменного тока тяжелых металлов был проведен патентный поиск по патентным базам данных (https://www.fips.ru; https://rospatent.gov.ru; https://patentscope.wipo.int). Глубина патентного поиска составила 28 лет.

атомный эмиссионный ток дуга

На основании проведенного патентного исследования по определению технического уровня и выявлению научно-технических разработок по данной теме можно сделать следующие выводы. При разработке методики АЭС важнейшим этапом является процесс пробоподготовки, который имеет некоторые специфические особенности, поэтому среди отобранных патентов рассмотрены патенты относительно способов подготовки анализируемых проб. Усовершенствование конструкции приборов в рассмотренных патентах позволяет открыть новые возможности в дуговом атомно-эмиссионном анализе, улучшить характеристики приборов и повысить качество анализа. Большинство рассмотренных патентов не действуют и перешли в общественное достояние. Тем не менее проведенные патентные исследования подтверждают научную значимость и перспективность использования атомно-эмиссионной методики в дуге переменного тока для анализа тяжелых металлов.

Таким образом, АЭС-ДР является мощным методом качественного анализа тяжелых металлов в отложениях нефтехимических производств, благодаря возможности одновременно определять непосредственно в порошке до 70 макро- и микроэлементов с пределами обнаружения до миллионных долей.

Метод АЭС-ДР постоянно развивается за счет совершенствования спектрального оборудования и разработки методических приемов, повышающих точность прямого анализа тяжелых металлов различного состава от качественных и полуколичественных к количественным результатам.

Список литературы

1. Ладонин Д. В. Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах: дисс.... д-ра биол. наук. М., 2016. 383 с.

2. Борисов П. О. Влияние тяжелых металлов на организм человека // Вестник науки. 2019. №12 (21).

3. Кунце У. Г.Шведт Основы качественного и количественного анализа.. М.: Мир, 1997. 424 с.

4. Илларионова Е. А., Сыроватский И. П., Митина А. Э. Химико-токсикологический анализ тяжелых метаалов. Иркутск, 2022. 63 с.

5. Васильева И. Е., Шабанова Е. В. Этапы развития дуговой атомно-эмиссионной спектрометрии в приложении к анализу твердых геологических образцов // Аналитика и контроль. 2021. Т. 25, №4. С. 280-296. https://doi.Org/10.15826/analitika.2021.25.4.007

References

1. Ladonin, D. V. (2016). Formy soedinenii tyazhelykh metallov v tekhnogenno- zagryaznennykh pochvakh: diss.... d-r biol. nauk. Moscow. (in Russian).

2. Borisov, P. O. (2019). Vliyanie tyazhelykh metallov na organizm cheloveka. Vestnik nauki, (12 (21)). (in Russian).

3. Kuntse, U. G. (1997). Shvedt Osnovy kachestvennogo i kolichestvennogo analiza.. Moscow. (in Russian).

4. Illarionova, E. A., Syrovatskii, I. P., & Mitina, A. E. (2022). Khimiko-toksikologicheskii analiz tyazhelykh metaalov. Irkutsk. (in Russian).

5. Vasil'eva, I. E., & Shabanova, E. V. 2021. Stages of ARC Atomic Emission Spectrometry Development as Applied to the Solid Geological Samples' Analysis. Analytics and control, 25(4), 280-296. (in Russian). https://doi.org/10.15826/analitika.2021.25.4.007

Размещено на Allbest.ru