RU2092809C1

RU2092809C1 - Method of revealing life-hazard substances

Info

Publication number: RU2092809C1
Application number: RU96108889A
Authority: RU
Inventors: В.А. Смирнов; И.Б. Лурье; Ю.И. Савельев; А.В. Фесенко; А.В. Чебышев; В.М. Ганшин
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Спецприбор-Т"
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1997-10-10

Abstract

FIELD: investigation of materials. SUBSTANCE: invention relates to examining or analyzing materials by way of determining their physical and chemical properties using optical means, in particular, using methods of aerosol particles registration that may be applied for a wide area of substances representing danger for human life, in particular, explosives. In a method involving sampling of impurities of ambient air, impurities are first converted into molecular condensation nuclei and supersaturated vapor of other substances condensing on nuclei is then created by way of mixing various-temperature streams. Concentration of formed aerosol is measured. Hazardous test substances, e.g. explosives, are labeled by low volatile material selected in conformance with required label activity duration. Such low volatile substances as those of ferrocene- type or organosilicon compounds are, in particular, used. Once sampling of impurities of ambient air is completed, selected impurities are separated in wide-channel capillary quartz chromatographic column with stationary phase, which is non-polar methylsilicone elastomer. Velocity of movement of gas carrier in column is 1-30 cu. cm/min at 60-100 C. From aerosol concentration measurement data obtained for aerosol formed from molecular condensation nuclei of ferrocene or organosilicon compounds, one can judge if hazardous substances are present. EFFECT: improved reliability of revealing hazardous substances.

Description

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов путем определения их физических и химических свойств оптическими средствами с использованием, в частности, метода молекулярной ядерной конденсации для преобразования примесей определяемых веществ в монодисперсный аэрозоль и измерением его концентрации. The invention relates to the study or analysis of materials by determining their physical and chemical properties by optical means using, in particular, the method of molecular nuclear condensation to convert impurities of the substances to be determined into a monodisperse aerosol and measuring its concentration.

Изобретение может быть использовано для определения широкого класса веществ, представляющих опасность для жизни человека, в частности, для бесконтактного дистанционного определения взрывчатых веществ. The invention can be used to determine a wide class of substances that are dangerous to human life, in particular, for non-contact remote determination of explosives.

Известен способ определения примесей веществ, основанный на превращении молекул примеси в труднолетучие вещества, коагулирующие с образованием ядер конденсации, в котором для создания конденсирующего на ядрах пара проводится испарение соответствующего вещества с последующим адиабатическим расширением /1/. A known method for determining the impurities of substances, based on the conversion of impurity molecules into non-volatile substances, coagulating with the formation of condensation nuclei, in which to create a condensing vapor on the nuclei, the corresponding substance is evaporated, followed by adiabatic expansion / 1 /.

Недостатком этого способа является низкая чувствительность, обусловленная стадией коагуляции и малая избирательность. The disadvantage of this method is the low sensitivity due to the stage of coagulation and low selectivity.

Известен также способ определения примесей веществ, в частности, паров токсичных металлоорганических соединений, представляющих опасность для жизни человека, при котором производят отбор проб примесей окружающего воздуха, конвертируют примеси в молекулярные ядра конденсации, создают пересыщенный пар других веществ, конденсирующийся на ядрах, путем смешения разнотемпературных потоков и измеряют концентрацию образовавшегося аэрозоля /2/. There is also a method for determining impurities of substances, in particular, vapors of toxic organometallic compounds that are dangerous for human life, in which samples of ambient air impurities are sampled, impurities are converted into molecular condensation nuclei, and supersaturated vapor of other substances is condensed on the nuclei by mixing different temperatures flows and measure the concentration of the resulting aerosol / 2 /.

В известном способе ядра конденсации образуют путем гомогенной химической или фотохимической реакций. При этом присутствие в окружающем воздухе мешающих примесей окислов азота, сероводорода, сернистого ангидрида, тетраэтилсвинца, бензина и др. в предельно допустимых концентрациях для атмосферного воздуха приводят к образованию дополнительных ядер конденсации, а следовательно, и к снижению избирательности и чувствительности способа и невозможности дистанционного определения веществ, представляющих опасность для жизни человека, например, взрывчатых веществ, без непосредственного контакта с ними. In the known method, condensation nuclei are formed by homogeneous chemical or photochemical reactions. At the same time, the presence in the ambient air of interfering impurities of nitrogen oxides, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, tetraethyl lead, gasoline, etc. at maximum permissible concentrations for atmospheric air leads to the formation of additional condensation nuclei and, consequently, to a decrease in the selectivity and sensitivity of the method and the impossibility of remote determination substances that are dangerous to human life, for example, explosives, without direct contact with them.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения веществ, представляющих опасность для жизни человека, при котором производят отбор проб примесей окружающего воздуха, конвертируют примеси в молекулярные ядра конденсации, создают пересыщенный пар других веществ, конденсирующийся на ядрах путем смешения разнотемпературных потоков и измеряют концентрацию образовавшегося аэрозоля, в отличие от известного способа /2/ в определяемое вещество, представляющее опасность для жизни человека, вводят химическую метку малолетучего вещества, выбираемого в зависимости от требуемой продолжительности действия метки. В качестве метки используют вещества типа ферроцена или кремнийорганические соединения. После отбора проб примесей окружающего воздуха производят разделение отобранных примесей в ширококанальной капиллярной кварцевой хроматографической колонке с неподвижной жидкой фазой, в качестве которой выбран неполярный метилсиликоновый эластомер, при скорости продвижения газа-носителя 1-30 см³/мин и температуре 60-100 ^oC. По результатам измерения концентрации аэрозоля, образованного из молекулярных ядер конденсации ферроцена или кремнийорганических соединений, судят о наличии веществ, представляющих опасность для жизни человека.The essence of the invention lies in the fact that in the method for determining substances that are hazardous to human life, in which samples of ambient air impurities are sampled, the impurities are converted into molecular condensation nuclei, create a supersaturated vapor of other substances that condenses on the nuclei by mixing different temperature flows and measures the concentration of the aerosol formed, in contrast to the known method / 2 /, a chemical label with a low volatility is introduced into a substance that is dangerous to human life a material selected depending on the desired duration of the label. As a label, substances such as ferrocene or organosilicon compounds are used. After sampling the ambient air impurities, the selected impurities are separated in a wide-channel capillary quartz chromatographic column with a stationary liquid phase, for which non-polar methyl silicone silicone elastomer is chosen, at a carrier gas velocity of 1-30 cm ³ / min and a temperature of 60-100 ^o C. According to the results of measuring the concentration of aerosol formed from molecular condensation nuclei of ferrocene or organosilicon compounds, the presence of substances that are dangerous to human life is judged.

В заявленном способе исключают влияние мешающих примесей на избирательность и чувствительность определения веществ, представляющих опасность для жизни человека, например, взрывчатых веществ введением специальной химической метки малолетучего вещества типа ферроцена или кремнийорганических соединений, хроматографическим выделением химической метки из отобранных примесей окружающего воздуха и конвертированием в молекулярные ядра конденсации только молекул химической метки. In the claimed method, the influence of interfering impurities on the selectivity and sensitivity of determining substances that are dangerous to human life, for example, explosives, is eliminated by introducing a special chemical label of a non-volatile substance such as ferrocene or organosilicon compounds, chromatographic isolation of a chemical label from selected ambient impurities and conversion to molecular nuclei condensation only chemical label molecules.

Достигаемый при этом способе технический результат возможность дистанционного определения веществ, представляющих опасность для жизни человека, например, взрывчатых веществ, без непосредственного контакта с ними, высокая избирательность и чувствительность их определения (поиска их местонахождения) в условиях воздействия мешающих примесей окислов азота, сероводорода, сернистого ангидрида, тетраэтилсвинца, бензина в предельно допустимых концентрациях для атмосферного воздуха. The technical result achieved with this method is the ability to remotely determine substances that are dangerous to human life, for example, explosives, without direct contact with them, high selectivity and sensitivity of their determination (search for their location) under the influence of interfering impurities of nitrogen oxides, hydrogen sulfide, sulfur dioxide anhydride, tetraethyl lead, gasoline in the maximum permissible concentrations for atmospheric air.

Пример 1. В вещество, представляющее опасность для жизни человека, в данном примере в пластиковое взрывчатое вещество вводилась химическая метка, в качестве которой был выбран ферроцен, в количестве 4-5 мас. от общего веса взрывчатого вещества. В помещении создавалась предельно-допустимая концентрация окислов азота для атмосферного воздуха. Затем из помещения, где находилось взрывчатое вещество, в течение 30 с с объемной скоростью 3 л/мин в концентратор отбиралась проба примесей окружающего воздуха. Отобранные примеси десорбировали путем нагрева концентратора. После этого проводили разделение отобранных примесей в ширококанальной кварцевой капиллярной хроматографической колонке с неподвижной жидкой фазой, в качестве которой был выбран неполярный метилсиликоновый эластомер, нанесенный на внутреннюю поверхность кварцевой капиллярной трубки газохроматографической колонки в виде тонкой пленки. Скорость продвижения газа-носителя, в качестве которого использован очищенный воздух, через газохроматографическую колонку составляла 1 см³/мин, температура 60198>C. Примеси ферроцена, выделенные из отобранных примесей с помощью газохроматографической колонки, конвертировали в молекулярные ядра конденсации пропусканием примесей через фотореактор. Затем производили двухступенчатое укрупнение образовавшихся ядер до величины монодисперсных аэрозольных частиц, пригодных для измерений нефелометром. Для этого создавали пересыщенные пары других веществ, сначала пересыщенный пар насыщенного раствора безводной щавелевой кислоты в трикрезилфосфате (малолетучего вещества), а затем пересыщенный пар диизобутилфталата (более летучего вещества), конденсирующиеся на ядрах при смешении разнотемпературных потоков пересыщенных паров и газа-носителя молекулярных ядер конденсации. С помощью нефелометра измеряли концентрацию монодисперсного аэрозоля, образованного из молекулярных ядер конденсации ферроцена. Было зафиксировано превышение сигнала нефелометра над заданным порогом, что свидетельствовало о присутствии химической метки (ферроцена) в отобранной пробе примесей окружающего воздуха, а следовательно, и о наличии в данном помещении вещества, представляющего опасность для жизни человека, пластикового взрывчатого вещества.Example 1. In a substance that is dangerous to human life, in this example, a chemical label was introduced into a plastic explosive, for which ferrocene was chosen, in an amount of 4-5 wt. of the total weight of the explosive. The maximum permissible concentration of nitrogen oxides for atmospheric air was created in the room. Then, from a room where the explosive was located, a sample of ambient air impurities was taken to the concentrator for 30 s at a space velocity of 3 l / min. The selected impurities were desorbed by heating the concentrator. After that, the selected impurities were separated in a wide-channel quartz capillary chromatographic column with a stationary liquid phase, which was selected as a non-polar methylsilicon elastomer deposited on the inner surface of the quartz capillary tube of a gas chromatographic column in the form of a thin film. The speed of advancement of the carrier gas, which is used as purified air through a gas chromatographic column was 1 cm ³ / min, temperature 60198> C. Ferrocene impurities isolated from the selected impurities using a gas chromatographic column were converted into molecular condensation nuclei by passing impurities through a photoreactor. Then, a two-stage enlargement of the formed nuclei was carried out to the size of monodispersed aerosol particles suitable for measurements by a nephelometer. To do this, supersaturated vapors of other substances were created, first, supersaturated vapor of a saturated solution of anhydrous oxalic acid in tricresyl phosphate (a low-volatility substance), and then supersaturated vapor of diisobutyl phthalate (a more volatile substance), condensing on the nuclei by mixing different temperature flows of supersaturated vapors and carrier gas of molecular condensation . Using a nephelometer, the concentration of monodisperse aerosol formed from molecular condensation nuclei of ferrocene was measured. An excess of the nephelometer signal over a predetermined threshold was recorded, which indicated the presence of a chemical label (ferrocene) in the selected sample of ambient air impurities, and, consequently, the presence of a plastic explosive substance in this room that is dangerous to human life.

Пример 2. Аналогичен примеру 1 по своим действиям. Но в отличие от предыдущего примера в качестве химической метки выбран тетракис-(триметилсилокси)силан, который вводили в количестве 4-5 мас. во взрывчатое вещество тринитротолуол. В помещении, где находилось определяемое взрывчатое вещество, создавали предельно-допустимую для атмосферного воздуха концентрацию тетраэтилосвинца. Отбор проб примесей окружающего воздуха из помещения, где находилось определяемое взрывчатое вещество, проводили в течение 1 мин с объемной скоростью 3 л/мин на концентратор. Затем отобранную пробу примесей десорбировали и разделяли в ширококанальной капиллярной кварцевой хроматографической колонке с неподвижной жидкой фазой, в качестве которой выбран неполярный метилсиликоновый эластомер, при скорости газа - носителя 30 см³/мин и температуре 100 ^oC. Выделенные примеси тетракис-(триметилсилокси)силана конвертировали в молекулярные ядра конденсации пропусканием через фототермореактор и укрупняли до размера аэрозольных частиц смешением разнотемпературных потоков пересыщенного пара сначала насыщенного раствора безводной щавелевой кислоты в трикрезилфосфате, а потом диизобутилфталата. Концентрация монодисперсного аэрозоля, образовавшегося из молекулярных ядер конденсации тетракис-(триметилсилокси)силана, определялась с помощью нефелометра. Зафиксировано превышение электрического сигнала с нефелометра над пороговым значением, что свидетельствовало о присутствии химической метки из тетракис-(триметилсилокси)силана в отобранных примесях, а следовательно, и о наличии взрывчатого вещества (тринитротолуола) в данном помещении.Example 2. Similar to example 1 in its actions. But unlike the previous example, tetrakis- (trimethylsiloxy) silane was chosen as a chemical label, which was introduced in an amount of 4-5 wt. into the explosive trinitrotoluene. In the room where the detected explosive was located, the maximum allowable concentration of tetraethyl lead was created for atmospheric air. Sampling of ambient air impurities from the room where the detected explosive was located was carried out for 1 min with a space velocity of 3 l / min per concentrator. Then, a sample of impurities was desorbed and separated in a wide-channel capillary quartz chromatographic column with a stationary liquid phase, which was selected as a non-polar methylsilicon elastomer, at a carrier gas velocity of 30 cm ³ / min and a temperature of 100 ^o C. The isolated impurities of tetrakis- (trimethylsiloxy) silane converted into molecular condensation nuclei by passing through a photothermoreactor and enlarged to the size of aerosol particles by mixing different temperature streams of supersaturated steam, first saturated anhydrous oxalic acid in tricresyl phosphate, and then diisobutyl phthalate. The concentration of the monodisperse aerosol formed from the molecular condensation nuclei of tetrakis- (trimethylsiloxy) silane was determined using a nephelometer. An excess of the electrical signal from the nephelometer over a threshold value was recorded, which indicated the presence of a chemical label of tetrakis- (trimethylsiloxy) silane in the selected impurities, and, consequently, the presence of an explosive substance (trinitrotoluene) in this room.

Пример 3. Аналогичен примерам 1 и 2. В качестве химической метки использовался октаметилциклооктасилоктан, вводимый в вещество, представляющее опасность для жизни человека, пластиковое взрывчатое вещество в количестве 4-5 мас. В помещении создавалась предельно допустимая для атмосферного воздуха концентрация сернистого ангидрида. Отбор проб примесей окружающего воздуха проводили в течение 45 с с объемной скоростью 3 л/мин. Разделение примесей проводили в ширококанальной капиллярной кварцевой хроматографической колонке с неподвижной жидкой фазой, аналогичной примерам 1 и 2, при скорости газа-носителя 10 см³/мин и температуре 80 ^oC. Выделенные примеси октаметилциклооктасилоксана конвертировали в молекулярные ядра конденсации пропусканием примесей через фототермореактор и укрупняли образовавшиеся ядра до величины монодисперсных аэрозольных частиц смешением разнотемпературных потоков пересыщенного пара, сначала насыщенного раствора безводной щавелевой кислоты в трикрезилфосфата, а потом диизобутилфталата, конденсирующегося на молекулярных ядрах из октаметилциклооктасилоксана. Концентрацию монодисперсного аэрозоля, образовавшегося из молекулярных ядер конденсации октаметилциклооктасилоксана, измеряли нефелометром. Было зафиксировано превышение электрического сигнала с нефелометра над пороговым значением, что свидетельствовало о присутствии химической метки из октаметилциклооктасилоктана в отобранных примесях, а следовательно, и о наличии вещества, представляющего опасность для жизни человека, пластикового взрывчатого вещества в данном месте.Example 3. Similar to examples 1 and 2. As a chemical label was used octamethylcyclooctasiloctane introduced into a substance that is dangerous to human life, plastic explosive in an amount of 4-5 wt. The maximum permissible concentration of sulfur dioxide for atmospheric air was created. Sampling of ambient air impurities was carried out for 45 s with a space velocity of 3 l / min. The impurities were separated in a wide-channel capillary quartz chromatographic column with a stationary liquid phase similar to Examples 1 and 2 at a carrier gas velocity of 10 cm ³ / min and a temperature of 80 ^o C. The isolated impurities of octamethylcyclooctasiloxane were converted into molecular condensation nuclei by passing impurities through a photothermoreactor and enlarged nuclei formed to the size of monodisperse aerosol particles by mixing different temperature flows of supersaturated steam, first a saturated solution of anhydrous oxalic acid into tricresyl phosphate, and then diisobutyl phthalate, condensing on the molecular nuclei of octamethylcyclooctasiloxane. The concentration of monodisperse aerosol formed from the molecular condensation nuclei of octamethylcyclooctasiloxane was measured by a nephelometer. An excess of the electric signal from the nephelometer over a threshold value was recorded, which indicated the presence of a chemical label from octamethylcyclooctasiloctane in the selected impurities, and therefore the presence of a substance that is dangerous to human life, plastic explosive in this place.

Заявленный способ позволяет дистанционно определять наличие веществ, представляющих опасность для жизни человека, в частности, взрывчатых веществ, в присутствии окислов азота, сероводорода, бензина, тетраэтилсвинца, сернистого ангидрида и др. в предельно допустимых концентрациях для атмосферного воздуха, без непосредственного контакта с определяемым веществом, имеет высокую избирательность и чувствительность определения введенной химической метки 10^-14 объемных долей. Продолжительность действия химической метки ориентировочно составляет для ферроцена 1-2 года, для кремнийорганических соединений в примерах 2 и 3 1-2 мес.The claimed method allows you to remotely determine the presence of substances that are dangerous to human life, in particular explosives, in the presence of oxides of nitrogen, hydrogen sulfide, gasoline, tetraethyl lead, sulfur dioxide and others. At maximum permissible concentrations for atmospheric air, without direct contact with the substance being determined , has a high selectivity and sensitivity of the definition of the entered chemical marks 10 ^-14 volume fractions. The duration of the chemical label is approximately 1-2 years for ferrocene, for organosilicon compounds in examples 2 and 3 1-2 months.

Claims

A method for determining substances that are hazardous to human life, in which samples of ambient air impurities are sampled, the impurities are converted to molecular condensation nuclei, create a supersaturated vapor of other substances that condenses on the nuclei by mixing different temperature flows and measure the concentration of aerosol formed, characterized in that a chemical label of a non-volatile substance, selected depending on the required length, is introduced into a substance that is a danger to human life the duration of the action of the label, which is used as substances such as ferrocene or organosilicon compounds after sampling of ambient air impurities, the selected impurities are separated in a wide-channel capillary quartz chromatographic column with a stationary liquid phase, for which non-polar methylsilicon elastomer is selected, at a speed of carrier gas 1 30 cm ³ / min and 60 100 ^o C and according to the results of measuring the concentration of aerosol formed from molecular condensation nuclei of ferrocene silt and organosilicon compounds, are judged with the presence of substances that are dangerous to human life.