RU2315986C1 - Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений - Google Patents
Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2315986C1 RU2315986C1 RU2006137389/28A RU2006137389A RU2315986C1 RU 2315986 C1 RU2315986 C1 RU 2315986C1 RU 2006137389/28 A RU2006137389/28 A RU 2006137389/28A RU 2006137389 A RU2006137389 A RU 2006137389A RU 2315986 C1 RU2315986 C1 RU 2315986C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ammonia
- air
- sensor
- electrodes
- industrial premises
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений включает применение пьезокварцевых резонаторов (ПКР) объемных акустических волн с собственной частотой колебаний 10 МГц, модификацию их электродов раствором сорбента, удаление растворителя, ввод анализируемого газа в ячейку детектирования, регистрацию аналитического сигнала, построение градуировочного графика и определение аммиака. В качестве модификатора электродов пьезокварцевого резонатора используют смесь равных объемов двух растворов: полистирола в толуоле с концентрацией 1 мг/см3 и нитрата циркония в этиловом спирте с концентрацией 9 мг/см3 и с соотношением масс полистирола и Zr4+ в смешанном растворе 1÷9. Подготовленную смесь наносят на электроды однократным погружением пьезокварцевого резонатора на 5 с в свежеприготовленный раствор сорбента с последующим испарением свободных растворителей при температуре 20-25°С в течение 2 ч и последующей дополнительной модификацией полученной пленки путем экспонирования сенсора в насыщенных парах фенола в течение 1 ч и десорбцией несвязанного фенола путем выдерживания сенсора в потоке чистого лабораторного воздуха в течение 30 мин при 20-25°С до стабилизации сигнала сенсора. Оптимальная масса сформированного таким образом модификатора составляет 7,7±0,8 мкг, возможно определение аммиака в диапазоне концентраций 10-500 мг/м3. Изобретение обеспечивает количественное определение аммиака в воздухе производственных помещений в широком диапазоне концентраций 10-500 мг/м3 с минимальным влиянием на сорбцию аммиака влажности воздуха, многократность применения сенсора без обновления поверхности пленочного покрытия, простоту и экспрессность модификации электродов, экономичность и мобильность определения аммиака в воздухе, в том числе в непрерывном режиме (on sity). 1 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к аналитической химии газовых сред и может быть использовано для определения аммиака в воздухе производственных помещений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сенсорометрического определения аммиака с применением пьезокварцевых резонаторов объемных акустических волн, электроды которых модифицированы пленкой Antarox CO-880, импрегнированной гидрохлоридом пиридоксина. Градуировочный график для определения аммиака описывается уравнением ΔF=6,41·[NH3]+20,0; для свеженанесенного покрытия ΔF=6,27·[NH3]+20,4. Оценено отрицательное мешающее влияние оксидов азота, серы, углерода, хлоро- и сероводорода [McCallum J.J. Piezoelectric Devices for Mass and Chemical Measurements: an Update // Analyst, 1989. Vol.114. P.1173-1189].
Недостатком способа является низкая предельная сорбционная емкость модификатора на основе Antarox CO-880, изменение эксплуатационных свойств сенсора с течением времени (дрейф нулевой линии, снижение сорбционной активности), вероятность коррозии электродов резонатора вследствие гидролиза хлоридов, сложность и длительность модификации электродов, а также значительное отрицательное влияние сопутствующих компонентов.
Техническая задача изобретения заключается в разработке способа количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений в широком диапазоне концентраций 10-500 мг/м3 с минимальным отрицательным влиянием на сорбцию аммиака влажности воздуха, позволяющего повысить предельную сорбционную емкость модификатора, обеспечивающего многократность применения сенсора без обновления поверхности пленочного покрытия, простоту и экспрессность модификации электродов, экономичность и мобильность определения аммиака в воздухе, в том числе в непрерывном режиме (on sity).
Техническая задача достигается тем, что в способе определения аммиака в воздухе производственных помещений, включающем применение пьезокварцевых резонаторов (ПКР) объемных акустических волн с собственной частотой колебаний 10 МГц, модификацию их электродов раствором сорбента, удаление растворителя, ввод анализируемого газа в ячейку детектирования, регистрацию аналитического сигнала, построение градуировочного графика и определения аммиака, новым является то, что в качестве модификатора электродов пьезокварцевого резонатора используют смесь равных объемов двух растворов: полистирола в толуоле с концентрацией 1 мг/см3 и нитрата циркония в этиловом спирте с концентрацией 9 мг/см3 и с соотношением масс полистирола и Zr4+ в смешанном растворе 1÷9; подготовленную смесь наносят на электроды однократным погружением пьезокварцевого резонатора на 5 с в свежеприготовленный раствор сорбента с последующим испарением свободных растворителей при температуре 20-25°C в течение 2 ч и последующей дополнительной модификацией полученной пленки путем экспонирования сенсора в насыщенных парах фенола в течение 1 ч и десорбцией несвязанного фенола путем выдерживания сенсора в потоке чистого лабораторного воздуха в течение 30 мин при 20-25°C до стабилизации сигнала сенсора; оптимальная масса сформированного таким образом модификатора составляет 7,7±0,8 мкг, возможно определение аммиака в диапазоне концентраций 10-500 мг/м3.
Модифицированный ПКР закрепляют в держателе открытой ячейки детектирования над источником паров аммиака, концентрацию которого варьируют в интервале 10-500 мг/м3, в результате диффузии паров аммиака в околосенсорное пространство открытой ячейки детектирования изменяется частота колебаний сенсора прямо пропорционально концентрации аммиака в воздухе. Время (τ) эмиссии паров в околосенсорное пространство, адсорбции аммиака на модификаторе пьезокварцевого резонатора и самопроизвольной регенерации сенсора зависит от расстояния между ячейкой детектирования и источником паров аммиака (L), например, при концентрации аммиака в воздухе 500 мг/м3 и L=10 см, τ=30 с; с уменьшением концентрации время отклика сенсора увеличивается и при концентрации аммиака в воздухе 10 мг/м3, τ≤2 мин.
Технический результат изобретения заключается в разработке способа количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений в широком диапазоне концентраций 10-500 мг/м3 с минимальным влиянием на сорбцию аммиака влажности воздуха, позволяющего повысить:
- за счет применения активного комплексообразователя Zr4+ - предельную сорбционную емкость а=mаммиак/mпленка=0,1 и, следовательно, интервал детектируемых концентраций аммиака (зона линейности Смаке 10-500 мг/м3);
- за счет образования фенолята циркония - устойчивость пленочного покрытия сенсора к химически активному аммиаку (дрейф нулевого сигнала после 10 циклов сорбция - десорбция ΔFc≤8 Гц, что составляет ~0,1% от массы пленки), благодаря чему применение сенсора без обновления поверхности пленки возможно в течение 600-750 циклов сорбция - десорбция аммиака с концентрацией 500 мг/м3;
- за счет образования фенолята циркония - селективность определения аммиака относительно воды (93%) в широком диапазоне относительной влажности воздуха (40-85 относит. %);
- экспрессность - время модификации электродов ПКР 3,5-4 ч, а анализа аммиака и полной регенерации модификатора не превышает 4 мин; благодаря конструкции открытой ячейки детектирования исключена стадия пробоотбора;
- за счет многократного применения сенсора и использования энергосберегающих технологий - экономичность;
- мобильность детектирующего устройства благодаря миниатюрным размерам датчика и возможности эксплуатации без дополнительных блоков (баллона с газом-носителем, системы пробоотбора);
- безоператорное определение аммиака в воздухе при превышении допустимого уровня со срабатыванием звукового или светового сигнала.
Чертеж. Изотерма сорбции аммиака на смешанной пленке полистирола с Zr4+ с дополнительной модификацией сенсора парами фенола; m=7,7±0,8 мкг; соотношение масс полистирола и Zr4+ 1÷9.
Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений осуществляется следующим образом.
Электроды пьезокварцевого резонатора модифицируют смесью равных объемов двух растворов: полистирола в толуоле с концентрацией 1 мг/см3 и нитрата циркония в этиловом спирте с концентрацией 9 мг/см3 и с соотношением масс полистирола и Zr4+ в смешанном растворе 1÷9; подготовленную смесь наносят на электроды однократным погружением пьезокварцевого резонатора на 5 с в свежеприготовленный раствор сорбента с последующим испарением свободных растворителей при температуре 20-25°C в течение 2 ч и последующей дополнительной модификацией полученной пленки путем экспонирования сенсора в насыщенных парах фенола в течение 1 ч и десорбцией несвязанного фенола путем выдерживания сенсора в потоке чистого лабораторного воздуха в течение 30 мин при 20-25°C до стабилизации сигнала сенсора; оптимальная масса сформированного таким образом модификатора составляет 7,7±0,8 мкг.
При диффузии паров аммиака в околосенсорное пространство открытой ячейки детектирования и адсорбции его на модификаторе ПКР изменяется частота колебаний сенсора, аналитический сигнал (ΔFс, Гц) - максимальное уменьшение частоты - регистрируют частотомером.
Модифицированный ПКР закрепляют в держателе открытой ячейки детектирования над источником паров аммиака, концентрацию которого варьируют в интервале 10-500 мг/м3.
Продолжительность получения аналитического сигнала и срабатывания датчика определяется временем эмиссии паров в околосенсорное пространство и адсорбции аммиака на пленке сорбента (τс, с), которое зависит от расстояния между источником паров аммиака и открытым входом ячейки детектирования и концентрации детектируемого аммиака в воздухе (с уменьшением концентрации время отклика сенсора увеличивается и не превышает 2 мин для концентрации аммиака в воздухе 10 мг/м3 и L=10 см).
Самопроизвольная регенерация сенсора (полное восстановление начальной частоты колебаний) в открытой ячейке детектирования на воздухе, не содержащем аммиак, осуществляется в течение τд=10-30 с и зависит от концентрации аммиака.
Продолжительность анализа, включая модификацию электродов, составляет 4 ч; повторное применение сенсора снижает затраты времени до 4 мин.
Применение сенсора на основе смешанного сорбента полистирола с ионами Zr4+ и дополнительно модифицированного фенолом возможно в диапазоне относительной влажности воздуха 40-85%. Модификатор устойчив к химически активным парам аммиака, не изменяет эксплуатационные характеристики в течение 600-750 циклов сорбция-десорбция.
Способ поясняется следующим примером
Пример. Электроды пьезокварцевого резонатора модифицируют смесью равных объемов двух растворов: полистирола в толуоле с концентрацией 1 мг/см3 и нитрата циркония в этиловом спирте с концентрацией 9 мг/см3 и с соотношением масс полистирола и Zr4+ в смешанном растворе 1÷9; подготовленную смесь наносят на электроды однократным погружением пьезокварцевого резонатора на 5 с в свежеприготовленный раствор сорбента с последующим испарением свободных растворителей при температуре 20°C в течение 2 ч и последующей дополнительной модификацией, полученной течение 2 ч, и последующей дополнительной модификацией полученной пленки путем экспонирования сенсора в насыщенных парах фенола в течение 1 ч и десорбцией несвязанного фенола путем выдерживания сенсора в потоке чистого лабораторного воздуха в течение 30 мин при 20°C до стабилизации сигнала сенсора; оптимальная масса сформированного таким образом модификатора составляет 7,7±0,8 мкг.
При диффузии паров аммиака в околосенсорное пространство открытой ячейки детектирования и адсорбции его на модификаторе ПКР изменяется частота колебаний сенсора, аналитический сигнал (ΔFс, Гц) - максимальное уменьшение частоты - регистрируют частотомером.
Модифицированный ПКР закрепляют в держателе открытой ячейки детектирования над источником паров аммиака, концентрацию которого варьируют в интервале 10-500 мг/м3.
При концентрациях аммиака в воздухе <10 мг/м3 возрастает мешающее действие паров воды; при с>500 мг/м3 происходит затухание сигнала и резкое уменьшение чувствительности определения (насыщение пленки).
Продолжительность получения аналитического сигнала и срабатывания датчика определяется временем эмиссии паров в околосенсорное пространство и адсорбции аммиака на пленке сорбента (τс, с), которое зависит от расстояния между источником паров аммиака и открытым входом ячейки детектирования и концентрации детектируемого аммиака в воздухе (с уменьшением концентрации время отклика сенсора увеличивается и не превышает 2 мин для концентрации аммиака в воздухе 10 мг/м3 и L=10 см).
Самопроизвольная регенерация сенсора (полное восстановление начальной частоты колебаний) в открытой ячейке детектирования на воздухе, не содержащем аммиак, осуществляется в течение τд=10-30 с и зависит от концентрации аммиака.
Продолжительность анализа, включая модификацию электродов, составляет 4 ч; повторное применение сенсора снижает затраты времени до 4 мин.
Применение сенсора на основе смешанного сорбента полистирола с ионами Zr4+ и дополнительно модифицированного фенолом возможно в диапазоне относительной влажности воздуха 40-85%. Модификатор устойчив к химически активным парам аммиака, не изменяет эксплуатационные характеристики в течение 600-750 циклов сорбция-десорбция.
Способ осуществим. Возможно определение аммиака в воздухе производственных помещений в интервале концентраций 10-500 мг/м3 с применением открытой ячейки детектирования и пьезокварцевым резонатором, электроды которого модифицированы смешанным раствором полистирола с ионами циркония и последующим экспонированием сенсора в парах фенола, при этом общая масса покрытия электродов ПКР m=7,7±0,8 мкг.
Сравнительная характеристика сорбции аммиака по прототипу и заявленному способу представлена в таблице.
Из примера, таблицы и фигуры следует, что способ микровзвешивания аммиака в воздухе производственных помещений в интервале концентраций 10-500 мг/м3 с применением пьезокварцевых резонаторов объемных акустических волн с базовой частотой колебаний 10 МГц при нанесении на их электроды смешанного раствора полистирола с нитратом циркония и дополнительной модификацией парами фенола возможно при изменении относительной влажности воздуха от 40 до 85% при соотношении масс полистирола и Zr4+ 1÷9.
При нанесении на электроды ПКР смешанного сорбента, состоящего из полистирола и растворов металлов с меньшей константой устойчивости аммиакатов (Со2+, Fe3+) и последующем экспонировании сенсора в парах фенола, сорбционная емкость пленочного покрытия уменьшается, при этом снижается диапазон аналитических концентраций аммиака. Приращение массы фенола закономерно возрастает с увеличением валентности металлов-комплексообразователей и наибольшее на пленке ПС с ионами Zr4+. Таким образом, оптимальной пленкой для детектирования аммиака в воздухе является наиболее устойчивая и чувствительная, сформированная из смешанного раствора полистирола с ионами циркония, дополнительно модифицированная парами фенола.
Дополнительная модификация сенсора на основе ПС с ионами Zr4+ позволяет повысить устойчивость пленочного покрытия пьезорезонатора на 2 порядка. С увеличением содержания циркония в смешанном сорбенте и, следовательно, с увеличением массы образующегося фенолята циркония, селективность выбранной пленки увеличивается. Избыток ПС в растворе смешанного сорбента (>50 мас.%) обуславливает низкую селективность сенсора вследствие малого количества образующегося при дополнительной модификации фенолята циркония на поверхности пленки. При ω(Zr4+)≥50 мас.% в смеси с ПС возрастает селективность сенсора (мешающее действие паров воды при влажности воздуха 85% отн. не превышает 9%).
Предлагаемый способ определения аммиака в воздухе производственных помещений с применением пьезокварцевого резонатора, электроды которого модифицированы смешанным раствором полистирола и Zr4+ с последующей дополнительной модификацией поверхности пленки сорбента фенолом, позволяет повысить: устойчивость пленочного покрытия сенсора в агрессивной среде, селективность определения аммиака в широком диапазоне относительной влажности воздуха; предельную сорбционную емкость и, следовательно, интервал детектируемых концентраций аммиака; экономичность; мобильность.
| Таблица Сравнительная характеристика сорбции аммиака по прототипу и заявленному способу |
||
| Характеристика | Прототип | Заявляемый способ |
| Диапазон измеряемых концентраций аммиака, мг/м3 | 5-100 | 10-500 |
| Устойчивость пленочного покрытия электродов пьезорезонатора, число актов сорбция - десорбция | 10-15 | 600-750 |
| Рабочий диапазон относительной влажности воздуха, % относит. | Требуется предварительное осушение | 40-85 |
| Рабочий диапазон температур, °C | Не указан | 0-35 |
| Продолжительность модификации электродов, ч | 1,5-2 | 3,5-4 |
| Продолжительность измерений аммиака, мин | 15-20 | ~4 |
| Условия измерений | Проточная ячейка детектирования; продувание газом-носителем | Открытая ячейка детектирования; не требуется дополнительных блоков |
| Вспомогательные устройства: | ||
| - блок возбуждения колебаний ПКР; | + | + |
| - блок ввода пробы; | + | - |
| - блок фиксирования аналитического сигнала; | + | - |
| - газопроводящие линии; | + | - |
| - компрессор для газа-носителя; | + | - |
| - оператор для принятия решений | + | - |
| сигнальное устройство | - | + |
Claims (1)
- Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений, включающий применение пьезокварцевых резонаторов (ПКР) объемных акустических волн с собственной частотой колебаний 10 МГц, модификацию их электродов раствором сорбента, удаление растворителя, ввод анализируемого газа в ячейку детектирования, регистрацию аналитического сигнала, построение градуировочного графика и количественного определения аммиака, новым является то, что в качестве модификатора электродов пьезокварцевого резонатора используют смесь равных объемов двух растворов: полистирола в толуоле с концентрацией 1 мг/см3 и нитрата циркония в этиловом спирте с концентрацией 9 мг/см3 и с соотношением масс полистирола и Zr4+ в смешанном растворе 1÷9; подготовленную смесь наносят на электроды однократным погружением пьезокварцевого резонатора на 5 с в свежеприготовленный раствор сорбента с последующим испарением свободных растворителей при температуре 20-25°С в течение 2 ч и последующей дополнительной модификацией полученной пленки путем экспонирования сенсора в насыщенных парах фенола в течение 1 ч и десорбцией несвязанного фенола путем выдерживания сенсора в потоке чистого лабораторного воздуха в течение 30 мин при 20-25°С до стабилизации сигнала сенсора; оптимальная масса сформированного таким образом модификатора составляет 7,7±0,8 мкг, возможно определение аммиака в диапазоне концентраций 10-500 мг/м3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006137389/28A RU2315986C1 (ru) | 2006-10-23 | 2006-10-23 | Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006137389/28A RU2315986C1 (ru) | 2006-10-23 | 2006-10-23 | Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2315986C1 true RU2315986C1 (ru) | 2008-01-27 |
Family
ID=39110097
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006137389/28A RU2315986C1 (ru) | 2006-10-23 | 2006-10-23 | Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2315986C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2543687C1 (ru) * | 2013-10-03 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВПО "ВГУИТ") | Способ оценки качества азотсодержащих минеральных удобрений с использованием пьезосенсоров |
| RU2583162C1 (ru) * | 2015-03-05 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический способ измерения концентрации аммиака в азоте |
-
2006
- 2006-10-23 RU RU2006137389/28A patent/RU2315986C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| McCALLUM J.J. Piezoelectric Devices for Mass and Chemical Measurements: an Update. Analyst, 1989, vol.114, p.1173-1189. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2543687C1 (ru) * | 2013-10-03 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВПО "ВГУИТ") | Способ оценки качества азотсодержащих минеральных удобрений с использованием пьезосенсоров |
| RU2583162C1 (ru) * | 2015-03-05 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Амперометрический способ измерения концентрации аммиака в азоте |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Guilbault et al. | Analytical uses of piezoelectric crystals: a review | |
| US9581574B2 (en) | Method and device for detecting odorants in hydrocarbon gases | |
| Liu et al. | Sampling and conditioning artifacts of PM2. 5 in filter-based samplers | |
| Ruys et al. | Mercury detection in air using a coated piezoelectric sensor | |
| RU2315986C1 (ru) | Способ количественного определения аммиака в воздухе производственных помещений | |
| CN101713763A (zh) | 一种测定大气中苯系物的方法 | |
| Cohen et al. | The validation of a passive sampler for indoor and outdoor concentrations of volatile organic compounds | |
| Frechette et al. | Simple piezoelectric probe for detection and measurement of sulfur dioxide | |
| Brown et al. | Diffusive sampling using tube-type samplers | |
| Shackelford et al. | A piezoelectric detector for organophosphorus pesticides in the air | |
| Kuchmenko et al. | Development of a piezosensor-based transducer, gas analyzer, and ammonia detector | |
| Yuwono et al. | Performance test of a sensor array-based odor detection instrument | |
| Cadoff et al. | Passive sampler for ambient levels of nitrogen dioxide | |
| Suleiman et al. | A coated piezoelectric crystal detector for phosgene | |
| Lai et al. | Piezoelectric quartz crystal detection of ammonia using pyridoxine hydrochloride supported on a polyethoxylate matrix | |
| RU2543687C1 (ru) | Способ оценки качества азотсодержащих минеральных удобрений с использованием пьезосенсоров | |
| Fung et al. | Determination of carbon monoxide in ambient air using piezoelectric crystal sorption detection | |
| Alder et al. | Detection of toluene diisocyanate in air with a coated piezoelectric crystal: Part 1. A Study of Coating Materials | |
| RU2181884C1 (ru) | Способ селективного определения толуидинов в газовых смесях | |
| RU2179720C1 (ru) | Способ определения диэтиламина в воздухе населенных мест | |
| RU2319958C1 (ru) | Способ определения микроконцентраций паров аммиака в воздухе | |
| KRAWCZYK et al. | Flow injection analysis of ammonia and sulfur dioxide with piezoelectric detection | |
| RU2303239C1 (ru) | Способ определения микроконцентраций сероводорода в потоке инертного газа | |
| De Andrade et al. | A coated piezoelectric crystal sensor for the determination of 2, 4-toluene diisocyanate in air | |
| RU2284031C1 (ru) | Способ определения паров ацетальдегида в воздухе рабочей зоны |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081024 |