RU2108975C1 - Устройство для анализа текучей среды и устройство для измерения содержания питательных солей - Google Patents

Abstract

Использование: в анализе текучей среды, в частности измерение содержания питательных солей в воде. Сущность изобретения: устройство для анализа текучей среды, в частности для измерения содержания питательных солей в обрабатываемой или сточной воде содержит герметичный корпус, в котором заключены резервуар для размещения несущей текучей среды, насос для создания потока несущей текучей среды в проточном канале, образованном мембранной, и специальными средствами для обеспечения возможности перемещения ионов и молекул через мембрану из анализируемой текучей среды в несущую текучую среду, образующих поток пробы, реакторный канал для потока пробы, насос для подачи текучего реагента в реакторный канал и детектирующее устройство, сообщенное с реакторным каналом для обнаружения продукта реакции и выборки соответствующего сигнала. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам для анализа текучей среды, в особенности жидкости.

Анализаторы текучей среды могут быть использованы для управления химическими и биологическими процессами, такими как очистка сточных вод. Например, требуется снижение концентрации питательных солей, таких как нитраты и фосфаты, в стоках сооружений по очистке сточных вод. Необходимо надлежащее управление биологическими процессами на этих сооружениях. Следовательно, полезно иметь возможность замера концентрации ионов различного вида в сточных водах, которая наряду с другими параметрами влияет на биологические процессы или дает о них информацию.

Многие патенты имеют целью анализ текучих сред, главным образом жидкостей, на присутствие различных составляющих. Способы замеров принципиально могут быть разделены на три группы.

1. Способы, в которых отбор пробы осуществляют дискретно, фильтруют ее и подвергают анализу.

2. Способы с постоянным подключением, в которых пробу постоянно откачивают из основного объема участвующей в технологическом процессе жидкости, фильтруют и затем через правильные промежутки времени подвергают анализу.

3. Способы, осуществляемые непосредственно на месте. Устройство для взятия пробы и анализа полностью или частично погружено в анализируемую среду; или пробу берут непосредственно, а анализ осуществляют настолько неотрывно от процесса, что промежуток времени между взятием пробы и проведением анализа достаточно мал, что обеспечивает возможность надежного управления процессом в реальном масштабе времени.

Система анализа, используемая для управления процессом, должна давать возможность пользователю предпринимать незамедлительные меры предосторожности, например, против внезапного повышения содержания нитратов в текучей среде при обработке сточных вод. Однако, анализ с использованием способов первой группы в основном осуществляется в лаборатории, что неизбежно увеличивает промежуток времени между взятием пробы и проведением анализа.

Более того, поскольку пробы воды зачастую подвергают спектрофотометрическому анализу, перемещение на большие расстояния может повлечь за собой дополнительные проблемы, так как продолжающаяся биологическая активность во взятых пробах способствует уменьшению их репрезентативности. Даже при быстрой доставке проб от устройства взятия пробы до лаборатории надежность результатов анализа несколько снижена из-за проблем, связанных с помутнением проб.

Способы второй группы наряду с использованием электродов для отбора ионов и анализом разделенного потока включают проведение замеров с использованием ультрафиолетового излучения.

Так называемый анализ со струйным впрыском относится к способам как второй, так и первой групп.

Способ анализа разделенного потока, впервые описанный в патентах США N 2797149 и 2879141 , основан на принципе отделения друг от друга предназначенных для анализа проб посредством воздуха. Усовершенствованный вариант этой технологии, включающий использование системы обработки текучей среды, описан в патенте США N 4853336. Эта система особенно пригодна для смешивания жидких проб с предварительно разделенными обрабатывающими жидкостями, такими как химические реактивы или разбавители, в анализаторах с непрерывным потоком. Система обеспечивает с задержкой и при постоянном подключении возможность смешивания различных компонентов смеси для производства анализа, как например, смешивания проб с реактивами и разбавителями, а также смешивания и взаимодействия этих компонентов в одном канале.

Основной принцип анализа со струйным впрыском в общих чертах описан в патентах США N 4022575 и 4224033. Отмеренную порцию пробы вводят в несущий поток текущей жидкости, при этом порция пробы образует четко определенную зону, объем и форма которой должны быть точно воспроизводимы. Зона внутри несущего потока, занимаемая пробой, проходит через анализатор и подвергается детектированию в соответствующем отсеке. При анализе со струйным впрыском проба может быть введена непосредственно в требуемом количестве, для чего может быть использован клапан или система магнитных клапанов, описанная в патенте США N 4177677.

При проведении анализов со струйным впрыском необходимо, чтобы объемы проб отмерялись с высокой точностью. На решение этой проблемы нацелена опубликованная заявка европейского патента, N 107631, в которой описана малоразмерная система микроканалов для анализа потока, встроенная в монолитную конструкцию. Один участок канала выполнен с возможностью переключения между проходами для потока, что позволяет дозировать объем пробы путем размещения ее в переключаемом участке канала, включенном в поток, из которого берется проба, а затем включения этого участка в анализируемый поток для обработки порции пробы при периодическом процессе.

Примером устройства, относящегося к третьей группе, является полярографическая ячейка или так называемый элемент Кларка для непосредственного замера процентного содержания какого-либо вещества в смеси. Эта ячейка описана в патенте США N 2913386, содержащая корпус в форме трубы, имеющий закрытую мембраной полость, в которой в некотором заданном пространственном расположении закреплены анод и катод. Полость заполнена электролитом. В пространстве между электродами образован "мост", по которому перемещаются ионы в процессе протекания химических реакций в электролите. В ходе реакции электролит расходуется и нуждается в частой замене. Камера способна определять наличие например, кислорода, SO₂ или CO₂ в жидкостях, газах или твердых веществах.

Другим примером анализатора, принадлежащего к третьей группе, является, так называемый, фотометр с автоматической накачкой, разработанный компанией МЕ Меерестекник-Электроник ГмбХ (см.документ ФРГ С1 3822788). Это устройство выполнено специально для установки в воде и отбора проб, их анализа и хранения результатов замеров непосредственно на месте установки. Такое устройство способно за относительно короткие промежутки времени (10 - 30 мин) выявлять изменение концентрации заданных веществ, таких например, как аммоний, нитраты, нитриты, фосфаты, силикаты, сульфиды и тяжелые металлы. Главной частью этого анализатора является поршневой насос, используемый также в качестве ячейки для проведения реакции и кюветы и всасывающий как пробу, так и реактивы. Жидкость проходит через распределительный клапан, который открывает и закрывает различные каналы для жидкостей и определяет последовательность этапов формирования смеси. После каждого анализа смесь пробы и реактива удаляют из устройства.

Фотометрический анализатор с автоматической накачкой основан на впуске пробы в систему, но не имеет фильтровального узла, способного задерживать бактерии; следовательно, в этом случае имеется риск роста бактерий внутри анализатора, которые в свою очередь могут быть причиной биологической активности, изменяющей концентрацию анализируемого вещества по сравнению с его концентрацией за пределами анализатора. Проба должна быть отмерена очень точно, что представляется затруднительным при упомянутом совмещении функций насоса, ячейки для проведения реакции и кюветы. Сравнительно большой расход реактива на один анализ в совокупности с высокой частотой цикла (10 - 30 мин) обусловливает необходимость замены реактива примерно один раз в неделю. Некоторые из используемых реактивов могут быть токсичными, а удаление смеси пробы и реактива после каждого замера может оказывать неблагоприятное воздействие как на состояние окружающей среды, так и на правильность последующих замеров.

Данное изобретение относится к устройству типа диализатора. Оно содержит герметический корпус с отверстием, закрытым мембраной, имеющей первую и вторую главные поверхности и выполненной с возможностью перемещения ионов и молекул между этими поверхностями, из которых первая при работе находится в контакте с анализируемой средой, и средства, ограничивающие канал в корпусе, состыкованные с мембраной с образованием по меньшей мере одного канала для потока, ограниченного этими средствами и второй главной поверхностью мембраны.

Такое устройство известно из документа Австрии, 355546, в котором представлен стерилизуемый диализатор, предназначенный для использования в бродильных резервуарах, химических реакторах и т.п. Диализатор включает головку, закрытую диализирующей мембраной. Головку крепят к отверстию в стенке резервуара или реактора. По питательному и сливному трубопроводам диализатора вдоль задней стороны мембраны подают подходящий буферный раствор, а с передней стороной мембраны контактирует жидкость в резервуаре или реакторе. Присутствующие в жидкости диализируемые вещества диализируют через мембрану в буферный раствор и поступают по сливному трубопроводу в расположенное снаружи анализирующее устройство или систему.

Согласно п. 1 формулы изобретения весь функциональный узел анализатора заключен в герметичном корпусе диализатора. Таким образом, изобретение предлагает автономный узел, включающий резервуар для несущей текучей среды и насос для генерации потока несущей текучей среды в канале с тем чтобы обеспечить возможность перемещения ионов и молекул сквозь мембрану между средой и несущей текучей средой. В результате поток несущей текучей среды превращается в поток пробы текучей среды, поступающий в реакторный канал. Текучая среда-реагент по меньшей мере из одного резервуара для реагента в реакторный канал по меньшей мере одним насосом для реагента, а детектирующее устройство связано с реакторным каналом для выявления продукта реакции текучей среды-реагента и пробы текучей среды с выработкой соответствующего детектирующего сигнала. Стоки из реакторного канала поступают в сточный резервуар.

Следует отметить, что в описании данного изобретения термин "проба текучей среды" относится к текучей среде, полученной в результате процесса диализации. Пробу текучей среды получают средством обмена ионов и молекул через мембрану, происходящего между текучей средой, которая должна быть проанализирована, и несущей текучей средой, которая в результате этого обмена превращается в пробу текучей среды. Таким образом, это понятие несколько отличается от общепринятого в химии термина "проба", означающего просто порцию текучей среды, предназначенную для анализа.

Изобретение устраняет или сводит к минимуму недостатки известных технических решений. Так, использование процесса диализации уменьшает до минимума риск внутреннего загрязнения, а также риск загрязнения окружающей среды. Все текучие среды, потребляемые и вырабатываемые при анализе, содержатся и остаются в резервуарах внутри корпуса. Отсутствует удаление загрязняющих частиц и организмов, которые могли бы исказить замеры или вызвать засорение.

Предлагаемое устройство очень быстро реагирует на изменение состава анализируемой среды, поскольку анализатор расположен внутри корпуса диализатора, т.е. очень близко от места, где происходит взятие пробы посредством диализации. Устройство может быть целиком погружено в анализируемую жидкость. Детектирование осуществляется на месте с выработкой по его результатам детектирующего сигнала. Сигнал может быть записан внутри корпуса с возможностью в дальнейшем доступа к нему, например, для контроля, или передан из корпуса на некоторое расстояние для записи или дальнейшей обработки, например, для управления процессом.

Вариант выполнения по п.2 формулы изобретения обладает особенными преимуществами при использовании при управлении процессом. Возможность надежного выявления продукта реакции в любой момент на протяжении длительного времени позволяет осуществлять самое непосредственное управление процессом. Время от времени может требоваться калибровка и очистка, но интервал времени между калибровками и очистками может быть больше одного часа. Нерабочее время между замерами уменьшается до минимума, а замеры концентрации контролируемого вещества детектируются с минимальной задержкой. Кроме того, частота детектирования или "отбора проб" может быть приведена в соответствие со скоростью изменения концентрации анализируемого вещества.

В этом состоит отличие от порционных способов, таких как анализ разделенного потока и анализ со струйным впрыском, в которых детектируемые вещества поступают в детектирующий прибор порциями, отделенными одна от другой либо воздухом, либо фрагментами несущей жидкости, не содержащей детектируемых веществ. В известных способах выходной сигнал или результат замера, поступающий от детектирующего прибора, имеет форму пиковых импульсов или фаз замера, которые формируются при прохождении зон с продуктом реакции через детектирующий прибор и которые разделены впадинами или фазами нерабочего времени, когда через детектирующий прибор проходит воздушный промежуток или незагруженная зона несущей текучей среды. Детектирование должно быть синхронизировано с прохождением продукта реакции, поэтому ограничения по времени неизбежны. При использовании же способа и устройства согласно п.2 формулы изобретения пики и впадины или фазы замера и фазы нерабочего времени по существу отсутствуют, а поток анализируемого вещества в детектирующем устройстве не разделен, поэтому детектирование может быть произведено в любой момент на протяжении длительных интервалов времени.

Другими словами, частота повторения замеров в принципе может быть увеличена произвольно, при этом единственное присущее данному способу ограничение обусловлено скорее работой детектирующего прибора, нежели проточной системы для отбора пробы. Например, детектирующее устройство может содержать аналого-цифровой преобразователь, имеющий ограниченную частоту повторения.

С другой стороны, указанные интервалы времени могут быть очень продолжительными и сопоставимыми с интервалами времени, на протяжении которых происходят существенные изменения концентрации анализируемого вещества в ходе крупномасштабных химических или биологических процессов, или по меньшей мере иметь тот же порядок, т.е. от нескольких минут до нескольких часов. Другими словами, продолжительность этих интервалов может соответствовать типичным временным константам изменения концентрации контролируемого или замеряемого анализируемого вещества. Таким образом, контроль и замер наиболее существенных изменений концентрации анализируемого вещества может носить непрерывный характер.

При использовании предлагаемого устройства нерабочее время между замерами практически исключено, а задержка времени между "взятием пробы" на мембране и "замером" в детекторе практически сведена к минимуму, при этом единственная задержка, с которой приходится сталкиваться, обусловлена временем, необходимым для прохождения по проточной системе ионов и молекул анализируемого вещества прежде чем они будут выявлены в продукте реакции.

Контроль потока пробы текучей среды и по меньшей мере одной текущей среды-реагента, или всех текущих сред-реагентов, как предложено в п.3 формулы изобретения, может стать предпочтительным или даже необходимым. Это зависит от химической реакции, проводимой в потоке, а также от используемого принципа детектирования. В некоторых случаях достаточно убедиться, что в поток пробы жидкости добавлено "достаточно" реагента для проведения завершенной реакции, для чего поток реагента может превышать требуемый минимум с хорошим запасом. В других случаях калибровка стандартизованных реакций может потребовать строгого контроля соотношения объема пробы текучей среды и любой текучей средой-реагента или объемов по меньшей мере двух текучих сред-реагентов, из чего вытекает необходимость контроля потока согласно п.3 формулы изобретения.

Как указано в п.4 формулы изобретения, целесообразно использование потоков, число Рейнольдса которых меньше 5, поскольку осевая дисперсия в таких потоках находится на низком уровне, и при выбранных малых абсолютных расходах можно получить низкий расход жидкостей-реагентов.

Средний объемный расход в проточном канале при работе предпочтительно составляет менее 100 мл/мин, как предложено в п.5 формулы изобретения. Это позволяет уменьшить расход носителя.

На практике целесообразно иметь резервуар для отработанных материалов, объем которого обеспечивает возможность непрерывной работы по меньшей мере в течение 30 дней; таким образом замена резервуара с отходами потребуется примерно раз в месяц и может соответствующим образом планироваться.

Предлагаемое устройство особенно хорошо пригодно для анализа загрязненной воды на водоочистных сооружениях, а также природных водных потоков. Кроме того, оно годится для замеров и контроля процессов, связанных с другими текучими средами (брожение, производство бумаги и т.п). Однако использование предлагаемого изобретения ни в коей мере не ограничивается этими частными вариантами применения. Анализу могут быть подвергнута любая текучая среда, не только жидкость, но и газ.

Было установлено, что использование предлагаемого устройства обеспечивает уменьшение времени получения результатов анализа (время отклика) до одной минуты и менее, что соответствует времени, необходимому для прохождения ионов или молекул из анализируемой среды через мембрану и далее по проточной системе в детектор. Возможна работа устройства непосредственно в среде, и в этом случае путь, проходимый анализируемым веществом, чрезвычайно короток. Например, устройство может с частичным погружением плавать на поверхности сточной воды в бассейне-отстойнике.

Химические реакции, используемые при детектировании, не обязательно должны протекать до полного завершения. При правильном контроле потока замеры могут быть произведены на любом этапе реакции, так как смешивание реагента и пробы является воспроизводимым. Среди других особенностей, способствующих уменьшению времени отклика, следует указать способность увеличения скорости реакции при повышении температуры в реакторном канале, а также эффективное перемешивание в том случае, когда выбраны каналы малого поперечного сечения.

Как указано выше, установлено, что предлагаемое устройство может быть выполнено с возможностью автономной работы в течении целевого месяца и более без обслуживания. Резервуары под несущую, реагентную и сточную текучие среды имеют достаточные размеры для того, чтобы вместить соответствующие количества расходуемой и производимой текучей среды за весь период непрерывной работы, который может длиться месяц и более. Это стало возможным благодаря небольшому расходу, который в процессах с использованием жидкости может быть в пределах 1 - 10 л в месяц, включая расход несущей и реагентной жидкостей и вспомогательных текучих сред, таких как чистящие средства и стандартные калибровочные вещества. Правильно подобранная мембрана может хорошо противостоять проникновению или внедрению загрязняющих частиц и организмов и следовательно, иметь сравнительно продолжительный срок службы.

Использование предлагаемого устройства, выполненного в соответствии с п. 9 формулы изобретения, позволяет значительно уменьшить размер будущих сооружений по очистке сточных вод вследствие того, что при использовании предлагаемых способа и устройства обеспечен быстрый отклик на изменение условий, определяющих биологические процессы, протекающие в этих сооружениях. Корректирующее воздействие в ответ на любые изменения может быть осуществлено своевременно, благодаря чему повышается общая эффективность биологических процессов и таким образом уменьшаются размеры будущих сооружений или увеличивается производительность очистки существующих. Одновременно могут быть уменьшены количество и стоимость химических реактивов, используемых при очистке воды.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемой проточной системы; на фиг. 2,a - часть ячейки для отбора пробы, используемой в системе, показанной на фиг. 1, вид сверху; на фиг. 2,b - ячейка для отбора пробы, включающий часть, показанную на фиг. 2a, поперечный разрез; на фиг. 3 - вид в плане так называемой опорной пластины разделителя потока, входящей в состав проточной системы, представленной на фиг. 1; на фиг. 4 - вид с пространственным разнесением элементов, изображающий общее расположение предлагаемого автономного погружаемого устройства для проведения анализов сточной воды непосредственно на месте его установки.

На фиг. 1 показаны основные составные части предлагаемой системы для анализа содержания ортофосфтата в воде. Система содержит следующие основные компоненты: резервуары 1, 5, 7, 10, 13 и 16 для различных жидкостей 61, 65, 67, 60, 63 и 66, используемых или получаемых при работе системы; насосы 2, 6, 8, 11 и 14 управляемые управляющей схемой 70 посредством многоканальной шины 71 и используемые для прокачки этих жидкостей через анализирующую систему по каналам 52, 56, 58, 51 и 54, ячейка 3 отбора проб с проточным каналом 21 и мембраной 20, при работе находящаяся в контакте с анализируемой средой 28 для выработки пробы жидкости, так называемый разделитель 15 потока, в котором жидкости могут быть подвергнуты контролируемому смешиванию путем правильного использования каналов 52, 56, 58, 51 и 54, а также каналов 24, 29 и 59, и детектирующее устройство 12, соединенное с разделителем 15 потока и управляющей схемой 70 для выявления анализируемого продукта реакции. Результат детектирования передается на управляющую схему 70 для индикации или передачи через дистанционную сигнальную шину 72.

В соответствии с фиг. 1, резервуар 1 содержит деминерализованную воду 11 лабораторной очистки, которая служит в качестве несущей жидкости. По каналу 52 в разделителе 15 потока насос 2 закачивает несущую жидкость в ячейку 3, в которой вырабатывается проба. В ячейке 3 несущая жидкость направляется по проточному каналу 21 вдоль задней стороны мембраны 20. Проточный канал ограничен задней стороной или иначе говоря, второй главной поверхностью мембраны 20, и посредством подходящего механического устройства (не показано) прижат в мембране. Как показано на чертеже, передняя сторона или иначе говоря, первая главная поверхность мембраны 20 находится в непосредственном контакте с анализируемой средой, т.е. со сточной водой 28.

Мембрана 20 сделана из материала, позволяющего ионам и молекулам осуществлять перемещение через нее. Это обусловливает возможность перемещения ионов и молекул, в том числе ионов ортофосфатов, из сточной воды 28 через мембрану в поток несущей жидкости 61. В результате несущая жидкость по мере ее протекания по каналу 21 насыщается ионами и молекулами анализируемого вещества (ортофосфата) а также сточной воды, преобразуется в пробу жидкости, покидает ячейку 3 и поступает по каналу 24 в разделитель потока. Конечно, значение слова "проба" в данном случае отличается от общепринятого, поскольку проба жидкости в данной проточной системе является по физической сути не пробой сточной воды, а скорее образом, отражающим ее состав и сформированным посредством специфического механизма перемещения через мембрану 20, в качестве которого может быть использована диффузия.

В разделителе 15 потока проба жидкости по каналу 24 поступает в место 4 слияния, в котором она смешивается с потоком жидкости-реагента 65, нагнетаемой в место слияния из резервуара 5 по каналу 56 насосом 6. Жидкость-реагент представляет собой смесь аммонийпарамолибдата (химический состав - (NH₄)₆Mo₇O₂₄•4H₂O)) с калийантимонидтартратом (химический состав - KSbOC₄H₄O₆•1/2H₂O), растворенную в воде с использованием серной кислоты в качестве растворяющей добавки в стандартных концентрациях согласно датскому стандарту N 291. Состав химикатов определен согласно стандартному способу анализа на содержание ортофосфатов, для которого установлены стандартные реагенты и соотношение компонентов смеси.

При слиянии потока пробы и потока реагента в реакторном канале 29 образуется первый объединенный поток. Протекая по реакторному каналу 29, текущие среды пробы и реагента в объединенном потоке перемешиваются между собой так хорошо, что может анализируемым веществом (ионами ортофосфата) в жидкости пробы и реагентом в реагентной жидкости начинается реакция. В результате образуется продукт реакции, концентрация которого увеличивается вдоль канала 29 по мере течения реакции к завершению. В данном примере продуктом реакции является комплекс под названием фосфомолибденовая кислота.

Во втором месте 9 слияния первый объединенный поток соединения с потоком второй реагентной жидкости 67, нагнетаемой насосом 8 по каналу 58. В данном примере вторая реагентная жидкость содержит красящий реагент аскорбиновую кислоту (C₆H₈O₆) в стандартных концентрациях.

В полученном объединенном потоке, который может быть назван вторым объединенным потоком, первый объединенный поток хорошо перемешивается со вторым реагентом для начала второй химической реакции. В данном примере это реакция между фосфомолибденовой кислотой, выработанной в первом объединенном потоке, и аскорбиновой кислотой второго реагента, в результате которой во втором объединенном потоке по мере его течения по каналу 29 образуется цветное вещество - синий молибден.

Как схематично показано на чертеже, реакторный канал 29 проходит через детектирующее устройство 12. В настоящем примере оно представляет собой спектрофотометр для замера спектральной поглощательной способности проходящей через него жидкости. Спектральная поглощательная способность находится в зависимости от концентрации красителей в жидкости, которая в свою очередь зависит от концентрации ортофосфата в пробе жидкости, выработанной в пробной ячейке 3. Эта концентрация является отражением концентрации ортофосфата в сточной воде 28. Затем вся система может быть откалибрована так, чтобы замеренная поглощательная способность отражала содержание ортофосфата в сточной воде 28.

Стоки 66 из детектирующего устройства собираются в резервуаре 16, из которого они могут быть извлечены при необходимости.

Проточная система выше по течению от ячейки 3 для отбора пробы в любое время может быть прокалибрована посредством использования специальных эталонных жидкостей 63 (из которых показана только одна), концентрация ортофосфата в которых известна, подаваемых в место 4 слияния из резервуара 13 по каналу 54 насосом 14. Насос 2 на время работы насоса 14 останавливают, чтобы подать поток эталонной жидкости в канал 54 взамен потока пробы жидкости, поступающей по каналу 24 из ячейки 3. Другими словами, в процессе калибровки устройство работает так же, описано выше в связи с потоком пробы. Таким образом, совместную калибровку детектирующего устройства, реакторного канала и насосов осуществляют посредством соотнесения замеренной при калибровке спектральной поглощательной способности с известной концентрацией ортофосфата в эталонной жидкости 63.

Например, при изменении гидродинамического сопротивления реакторного канала например, из-за отложения реагентов, любое вызванное этим изменение характеристик системы может быть устранено путем указанной калибровки. Аналогично, калибровка может компенсировать изменение параметров насоса, которое может иметь место в результате его износа.

Аналогично могут быть учтены передаточные характеристики мембраны при калибровке, включающей ввод мембраны 20 в контакт не со сточной водой 28, а со стандартным раствором ортофосфата известной концентрации, эксплуатацию системы как при замере сточной воды и соотнесение замеренной спектральной поглощательной способности с известной концентрацией ортофосфата в стандартном растворе.

Насосы 2, 6, 8, 11, и 14 являются объемными насосами. Управляющая схема 70 выполнена с возможностью управления интенсивностью подачи насосов для поддержания по существу постоянного соотношения между интенсивностями подачи жидкостей пробы и реагента. Таким образом, в детектирующем устройстве достигается по существу постоянное объемное соотношение между жидкостью пробы и любой жидкостью-реагентом. Это обеспечивает поддержание состояния, достигнутого при калибровке.

Кроме того, поскольку производительность каждого отдельного насоса системы находится под контролем, время между смешиванием некоторого объема жидкости пробы с соответствующим объемом жидкости-реагента и прохождением полученного объема смеси через детектор может поддерживаться по существу постоянным. Химические реакции в системе не обязательно должны протекать до полного завершения. Калибровка с известными стандартами способна обеспечить непрерывную выработку адекватных данных анализов даже при незавершенной реакции, вследствие чего время отклика системы является очень малым.

Подходящий насос описан в патенте США N 2896469; надлежащее управление работой насосов может быть обеспечено посредством шагового электродвигателя, управляемого соответствующей управляющей схемой. Могут быть использованы насосы и других типов, и даже резервуары, находящиеся под давлением и снабженные дозирующими клапанами, регулирующими создаваемые потоки.

Проточная система при необходимости может быть очищена путем ее промывки чистящим раствором 60 из резервуара 10, подаваемым в место 4 слияния насосом 11 через трубопровод 51. Во время этой операции все остальные насосы останавливают. И калибровка, и промывка проточной системы могут быть выполнены без удаления устройства с места проведения анализа.

На фиг. 2,b показан поперечный разрез ячейки 3 для выработки пробы. Узел имеет ограничивающие канал средства или опорный элемент 22, соединенный с мембраной 20. Опорный элемент 22 в целом выполнен в форме диска с извилистой канавкой 25 (фиг. 2 a) на поверхности 26, прилегающей к мембране 20. Канавка 25 опорного элемента 22, при работе остающегося плотно пригнанным к мембране 20, образует при взаимодействии его с мембраной проточный канал 21, имеющий фиксированные форму и размеры и ограниченный задней стороной мембраны.

Поверхность 26 опорного элемента 22, на которой сформировано углубление, имеет форму полусферы, если не принимать во внимание канавку 25. Мембрана 20 изготовлена из листового материала, и при установке ее натягивают на полусферическую поверхность опорного элемента 22. Натяжение гарантирует, что мембрана не будет отставать от элемента 22 под давлением, возникающем в проточном канале 21 при прокачке через него несущей жидкости.

Если такое отставание все же имеет место, то различные участки извилистого проточного канала 21 могут быть закорочены между собой из-за образования неконтролируемых проточных каналов между мембраной и опорным элементом. Это повлечет за собой затруднения при калибровке, поскольку время пребывания в контакте с мембраной 20 порции жидкости, протекающей по неконтролируемым каналам, будет отличаться от времени пребывания в контакте порции жидкости, проходящей по всему проточному каналу 21. В результате неконтролируемый поток располагает меньшим временем для загрузки анализируемым веществом, нежели "обычный" поток, и это естественно приводит к изменениям при калибровке в ячейке 3. Выпуклая форма опорного элемента 22 и натянутая мембрана 20 препятствуют этому.

Проточный канал 21 выполняют такой формы, чтобы обеспечить покрытие мембраной 20 поверхности довольно большой площади в сопоставлении с объемом канала. Например, канавка может быть полукруглой формы шириной около 1 мм и максимальной глубиной 0,13 мм, в результате отношение площади поверхности мембраны к общему объему канала составит около 11 мм. В зависимости от упругости мембраны и исходя из геометрических соображений канавки могут быть и более мелкими.

Материал мембраны выбирают из таких материалов, строение которых обеспечивает возможность перемещения через мембрану по существу только ионов и молекул. Это может быть обеспечено при использовании мембраны, изготовленной из непроницаемого материала и подвергнутой перфорации посредством облучения (среди прочих такие мембраны поставляются на рынок под товарным знаком Nuclepore), благодаря которому в мембране происходит формирование очень узких каналов. Известны и другие подходящие полупроницаемые мембраны, используемые в области диализации и осмоса.

К материалам, подходящим для изготовления мембран, относятся ацетат целлюлозы, тефлон, восстановленный ацетат целлюлозы, поликарбонат и сложный полиэфир. Для этого могут быть также использованы керамические материалы наподобие Al₂O₃.

Мембрана может быть покрыта проницаемой защитной сеткой, расположенной так, чтобы быть в контакте с анализируемой средой, т.е. на передней стороне или на первой главной поверхности 27 мембраны. Например, в качестве подходящей защиты может быть использован слой волокнистого материала, такого как фильтровальная бумага. Такое покрытие может предотвратить истирание и другие нежелательные эффекты, вызванные вспучиванием мембраны в воде.

Толщина мембраны предпочтительно составляет 5 - 250 мкм, в особенности около 25 мкм. Предпочтительный размер пор мембраны - 0,01 - 0,45 мкм, в особенности 0,025 мкм. Такие узкие поры препятствуют проходу из наружной проточной системы грязевых частиц, бактерий, грибковых спор и возможно даже больших органических молекул, предотвращая тем самым продолжение биологической активности в анализирующей системе. Целесообразно подобрать материал мембраны таким образом, чтобы предотвратить переход из анализируемой среды частиц, размер которых на порядок и более превышает размер ионов и молекул анализируемого вещества.

Опорный элемент 22 снабжен сквозными отверстиями 52 и 24, которые соединяют проточный канал 21 с другими частями проточной системы. Отверстие 52 ведет к насосу 2 для подачи несущей жидкости 61, а отверстие 24 ведет к месту 4 слияния в разделителе 15 потока.

На фиг. 3 изображен вид в плане опорной пластины 17, ограничивающей часть разделителя 15 потока.

Главная часть проточной системы выполнена в виде канавок в опорной пластине 17. Опорная пластина в целом выполнена в форме диска, имеющего на передней поверхности центральный приподнятый участок 18, как показано на чертеже. В центральном участке 18 опорной пластины вырезана система 50 канавок. При работе опорная пластина закрыта листом из эластомерного материала (не показан), закрывающим весь участок 18 и посажена в выемке 30 (фиг. 2,b) ячейки 3, так что этот лист зажат между пластиной 17 и опорным элементом 22. Таким образом, указанный лист служит крышкой или герметической крышкой для канавок 50, вследствие чего система канавок 50 превращается в систему каналов. Поэтому в нижеследующей части описания термины "канавка" и "канал" используются как взаимозаменяющие. Для подсоединения к этим канавкам других частей проточной системы предназначены отверстия в опорной плите, проходящие от передней ее стороны до задней.

Проба жидкости из ячейки 3 поступает на заднюю сторону опорной пластины 17 через отверстие 24 и протекает по заднему каналу (не показан) до отверстия 25. Через отверстие 25 жидкость возвращается на переднюю сторону опорной пластины, где она поступает в реакторный канал 29 в месте 4 слияния.

Часть системы 50 канавок составляют три канавки 51, 54 и 56, проходящие между местом 4 слияния и отверстиями 11a, 14a и 6a. Канавка 51 связана с насосом 11 через отверстие 11a, канавка 54 связана с насосом 14 через отверстие 14a, а канавка 56 связана с насосом 6 через отверстие 6a. При работе соответствующих насосов по этим канавкам в место слияния подаются жидкость-реагент (канавка 56), эталонная жидкость (канавка 54) и чистящая жидкость (канавка 51).

Реакторная канавка 29 проходит между местом 4 слияния и выходным отверстием 59, ведущим на заднюю сторону опорной пластины и пересекающимся с канавкой 58 во втором месте 9 слияния, за которым канавка 58 продолжается до отверстия 8a, соединяющего ее с насосом 8. Второе место слияния, расположенное на пересечении канавка 58 и реакторного канала 29, отделено от первого места 4 слияния.

Как видно из чертежей, расположение канавок соответствует схематическому изображению на фиг. 1. В месте 4 слияния проба потока объединяется с первым реагентом, а в месте 9 слияния - со вторым реагентом. Продукты реакции, описанные со ссылками на фиг. 1, вырабатываются при протекании жидкостей по двум участкам реакторного канала 29, расположенным между первым и вторым местами слияния и за вторым местом слияния.

Детектирующее устройство, (на фиг. 3 не показано) установлено в непосредственной близости от задней стороны пластины 17 вблизи отверстия 59. На самом деле отверстие 59 и любые дополнительные каналы, ведущие к детектирующему устройству следует считать частью реакторного канала 29, поскольку любые химические реакции, проходящие при протекании жидкостей по этим дополнительным каналам могут оказывать влияние на работу детектирующего устройства.

Канавки 51, 54, 56 и 58, как показано на фиг. 3, имеют каждая сужение у соответствующих мест слияния и расширение у соответствующих отверстий, связывающих их насосами, причем указанные расширения служат для уменьшения перепадов давления. Остальные детали, показанные на фиг. 3, предназначены для установочных и вспомогательных целей и не являются частью настоящего изобретения.

Размеры реакторного канала 29 подбирают так, чтобы обеспечить ламинарность и низкое значение числа Рейнольдса Re объединенного потока, предпочтительно в среднем меньше 5. Это осуществляют путем соответствующего выбора поперечных размеров реакторного канала по отношению к показателям вязкости используемых жидкостей и скорости потока в системе.

Число Рейнольдса определяется следующим образом:
Re = (V•D_h)/ν,
где V - средняя скорость потока;
D_h - гидравлический диаметр канала, по которому протекает поток;
D_h = 4•(A/P), здесь A - площадь поперечного сечения канала; P - его периметр; ν - кинематическая вязкость текучей среды.

Например, на практике была выполнена система, в которой реакторный канал бы сформирован в виде прямоугольной канавки глубиной около 0, 4 мм и шириной около 0,5 мм, выполненной в пластине 17, закрытой установленной на ней по существу плоской крышкой, при этом гидравлический диаметр D_h канавки составил 0,44 мм. Жидкости пробы и реагента по сути представляли собой воду, имеющую кинематическую вязкость ν = 1,004 мм²/с при температуре 20^o в стоградусной системе. Расходы в реакторном канале были выбраны в пределах 0 - 45 мл/мин, что соответствует скоростям 0 - 3,75 мм/с. Таким образом, число Рейнольдса потока находилось в пределах 0 - 1,64.

Для выявления других веществ общая структура проточной системы и расположение каналов в разделителе 15, как правило, должны быть специально приспособлены к химическим процессам, используемых при детектировании. Для этого потребуются дополнительные резервуары, насосы и каналы для дополнительных реагентов, а также подгонка длины всех участков реакторного канала 29 и пространственного расположения мест слияния для обеспечения достаточного времени протекания потока для реакций, и кроме того, другие модификации.

Фиг. 4 иллюстрирует один из многих возможных способов компоновки предлагаемого устройства. В верхней части на фиг. 4 непосредственно под крышкой 42 для приема показаны резервуары 16, 1 и 10, расположенные в реакторном отсеке 43 таким образом, чтобы никакая утечка из резервуаров не могла нарушить работу устройства или тем более нанести ущерб остальной системе. Управляющая схема 70, служащая для управления системой и приема/передачи входных и выходных сигналов через дистанционную шину 72, расположена под отсеком для реактивов. Насосы 2, 6, 8, 11, 14 и детектор 12 расположены под управляющей схемой 70; диализационная ячейка 3 для отбора пробы прикреплена к днищу общего корпуса 45, на котором держатся все остальные части и который может быть герметически закрыт крышкой 42.

Подвод энергии и всех коммуникаций (входных и выходных) к системе осуществляются через шину 72. Считываемый детектором выходной сигнал от системы, отражающий например, содержание фосфатов в сточной воде, может быть оценен в вынесенном управляющем узле (не показан), присоединенном к дистанционной шине 72, для управления водоочистительной установкой в соответствии с сигналами анализирующей системы. Если содержание фосфатов слишком высоко, необходимые действия по его снижению могут быть предприняты тотчас же. Аналогичным образом можно с помощью шины 72 передавать системе входной сигнал, например, сигнал на начало калибровки.

Claims (12)

1. Устройство для анализа текучей среды, содержащее герметичный корпус с отверстием, закрытым мембраной, имеющей первую и вторую поверхности и выполненной с возможностью перемещения ионов и молекул между этими поверхностями, из которых первая поверхность при работе находится в контакте с текучей средой, и средства образования канала, расположенные в корпусе и прилегающие к второй поверхности мембраны для образования по крайней мере одного проточного канала, отличающееся тем, что в корпусе заключены резервуар для размещения несущей текучей среды, насос для создания потока несущей текучей среды в проточном канале для обеспечения возможности перемещения ионов и молекул через мембрану из анализируемой текучей среды в несущую текучую среду для образования потока пробы текучей среды, реакторный канал для поступления в него потока пробы текучей среды, по меньшей мере один насос для подачи текучего реагента в реакторный канал, детектирующее устройство, сообщенное с реакторным каналом для обнаружения продукта реакции и выработки соответствующего сигнала, и по меньшей мере один сточный резервуар, соединенный с реакторным каналом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для надежного обнаружения продуктов реакции в любой момент в течение длительного времени используются насосы, создающие по существу неразделенные потоки.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно содержит средства контролирования потока пробы текучей среды и любого жидкого реагента для обеспечения по существу постоянного объемного соотношения между пробой текучей среды и любым жидким реагентом в детектирующем устройстве.

4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения реакторного канала и его поперечные размеры выполнены с учетом кинематической вязкости и объемного расхода текучей среды в реакторном канале так, чтобы среднее число Рейнольдса составляло менее 5.

5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью обеспечения среднего объемного расхода потока в проточном канале, составляющего менее 100 мл/мин.

6. Устройство по пп.1 - 5, отличающееся тем, что сточный резервуар выполнен с вместимостью, достаточной для непрерывной работы в течение по меньшей мере 30 дней.

7. Устройство для измерения на месте в реальном масштабе времени содержания питательных солей в обрабатываемой или сточной воде на сооружениях по очистке сточных вод, отличающееся тем, что оно выполнено в виде устройства по п.1.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что для надежного обнаружения продуктов реакции в любой момент в течение длительного времени используются насосы, создающие по существу неразделенные потоки.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что оно содержит средства контролирования потока пробы текучей среды и любого жидкого реагента для обеспечения по существу постоянного объемного соотношения между пробой текучей среды и любым жидким реагентом в детектирующем устройстве.

10. Устройство по пп. 7 - 9, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения реакторного канала и его поперечные размеры выполнены с учетом кинематической вязкости и объемного расхода текучей среды в реакторном канале так, что среднее число Рейнольдса составляло менее 5.

11. Устройство по пп. 7 - 10, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью обеспечения среднего объемного расхода потока в проточном канале, составляющего менее 100 мл/мин.

12. Устройство по пп.7 - 11, отличающееся тем, что сточный резервуар выполнен с вместимостью, достаточной для непрерывной работы в течение по меньшей мере 30 дней.

Images