Введение к работе
Актуальность проблемы. Бензол, толуол и ксилолы относятся к нормируемым загрязнителям воздушного бассейна, влияют на мутагенез, нарушат схему процессов в биосфере Земли. Наиболее негативна способность углеводородов бензольного ряда поражать,функции кровеносной системы и костного мозга^ при этом аккумулирование незначительных количеств (4 -7 .г/кг) этих углеводородов в организме человека приводит к летальному исходу. Для гашения задач, связанных с защитой атмосферы от органические загрязнителей, необходимы аналитические методы надежного определения токсикантов. Наряду с хроматографическими и спектрометрическими методами определения углеводородов в воздухе в последние годы принципиальное значение приобретает метод пьезокв:.рцевого микровзвешивания*', направленный на создание способов, позволяющих осуществлять селективный анализ - перспективное направление в анализе газовых смесей, содержащих загрязнители различного генезиса. Это обусловлено тем, что применение метода пьёзокварцевого микровзвешивания обеспечивает определение углеводородов без предварительной стадии пробоот-бора и пробоподготовки с помощью компактного и мобильного оборудования, позволяющего анализировать газовые смеси в полевых условиях.
Работа выполнена и соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры аналитической хігши Воронежской государственной технологической академии и РАН по направлению "Органический анализ", в рамках Комплексной государственной программы "Экологическая безопасность России", а также.при поддержке Международной Соросовскон Программы образования в Области Точных Паук (грант Лг а1346).
Метод пьемжтрщ'вого микронівешцашши - метод количественного анализа, основанного на точном измерении массы компонента газовой смеси (Дш, г), сорбируемого на пьезо-<сенеоре.
Пьезосеисор - измерительное автогенераторное устройство, преобразующее изменения массы электродов пьезоэлектрического кварцевого резонатора в приращение выходной частоты автогенератора- кпарнелые микровесы
В частотных пілчисеисо/хіх аналитическим сигналом (отклик) является изменение резонансной чзсіоть! колебании (Д1;, Гц)
Д1-" = k-Am, где к - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы резонатора Пропорциональная зависимость отклика от прилагаемой нагрузки- позволяет осуществлять прямые измерения Дт. Для снижения пределов обнаружения метода и достижения селективности применяют модифицирование электродов пьезосенсора чувствительной пленкой Коэффициент чувствительности (S, Гц-м'/г) - значение первой производной приращения частоты вибрации пьезосенсора AF при данном определяемом содержании углеводорода в газовой фазе - является важной характеристикой пьезосенсоров и является критерием, учитываемым при выборе Модификаторов.
Цель паВіугьг. Теоретическое я экспериментальное обоснование экспресс-способов селективного и суммарного определения ароматических углеводородов в газовых смесях методом яьезокварцевого микровзвешивания; разработка новых перспективных методик газоанализа.'
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
изучено сорбшюнное сродство в системе углеводород-сорбент при модифицирован электродов пьезоееясора силиконами, органическими Оксидами, по-лиэтиленгликолями, эфирами и каучуками; .,
идентифицирован механизм массообмеиных процесседиа поверхности моди-фкк? тора электродов пьезосенсора; ,;
разработана математическая модель, адекватно описывающая результаты эксперимента, для оптимизации условий гррведения анализа газовых смесей, содержащих углеводороды, и прогнозирования параметров получения максимального аналитического сигнала; :
разработаны новые способы й методики селективного и суммарного определения углеводородов в газовых смесях путем модифицирования электродов пьезосенсора сорбентами со специально подобранным)! характеристиками.
Научная попита работы; Предложены и теоретически обоснованы экспресс-способы и методики селективного и суммарного определения бензола, толуола и ксилолов в газовых смесях методом пьезрквариеврго микровзвещиваі-ния. Определены области линейности градуировочных графиков для анализа углеводородов. ' '-'.-.'.,.'
Впервые в качестве модификаторов пьезокварцевого резонатора применены зфиры, силиконы, полиолы, д также шггетцчешге каучуки и органические оксиды для определения углеводородов (бензол, толуол, о-, м- и п-ксилолы) в газовых смесях и обоснован, механизм массообменних процессов на поверхности модификатора, учитывающий эффект капиллярной колденсании. '
Получены закономерности изотерм сорбции.в зависимости от природы сорбента, сорбата, растворителя, а таююз поднозд аго извлечения из гшенки модификатора. Обнаружено изменение микроструктуры сорбента в результате сорбции углеводородов, что т&гверяціеив методом сканирующей злектроішой микроскопии поверхности модификатора*
Установлены оптимальные условия сорбции углеводородов" пьезосенсог . рами (масса пленки модификатора, расход газачйсителя, температура в детекторе), рассчитаны, физико-химические параметры сорбции, найдены скорости прямого-и обратного процессов взаимодействий углеводородов с поверхностью модификатора.
Предложена матемаягческая модель дли прогнозирования оптимальных условий анализа газовых смесер. Обоснован алгоритм подготовки пьезосенсора, к анализу. "
5 Практическое значение и реализация результатов. Проведенное в работе физико-химическое обоснование применения метода пьезокварцевого мик-ровзвешивания для анализа газовых смесей, содержащих углеводороды, позволило разработать комплекс способов И методик селективного и суммарного определения бензола, толуола и изомеров ксилола в газовых смесях. Применение предлагаемых решений аналитических задач и совокупность разработок в этой области позволяет создать новый* универсальный,-компактный и мобильный газоанализатор на' основе ньезосепсора.
Номізна практических разработок подтверждена материалами Госком-изобретений РФ. Практические разработки апробированы в ОАО "Украинский научный центр технической экологии".
На зашиту выносятся; .'"'''.
совокупность результатов физико-химических и химических; исследований по разработке и созданию комплекса экспресс-способов и методик селективного и суммарного определения углеводородов (бензола, толуила и ксилолса) в газовых смесях методом пьезокварцевого миіфовзвешивания;
закономерности сорбции углеводородов на .6 модификатсpax пьезоэлектрического кварцевого резонатора;
математическая модель для прогнозирования оптимальных условий анализа газовых смесеіі (масса модификатора, расход газа-носителя, концентрация углеводорода); алгоритм подготовки пьезосенсора к анализу;
результаты выбора эффективных систем сорбат - сорбент (влияние природы углеводорода и модификатора на аналитический сигнал);
- новые способы определения толуола в газовых смесях, в том числе в присут-
ствии ксилолов;
- меюдикп селективного определения бензола а толуола в присутствии изоло-
гов и суммарного определения ксилолов в газовых смесях. '
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены па II конференции "Вопросы региональной экологии" (Тамбов, і 995), У и XI Szkoia Fizyko'cliemieznych Metod Rozdzielania Miezanin "ARS SEPARATORIA" (Польша, Pieczyska, 1995; Minikowo, 1996); Международном-симпозиуме ЛО аналитической химии (Ташкент, 1995); III межреспубликанской конферснц.ш "Процессы и оборудование экологических производств" (Волгоград, 1995);-Щ и IV региональных конференциях, "Проблемы химии и химической технологии" (Воронеж, 1995; Тамбов, 1996); Международных конференциях "XIII и XIV научные чтения" (Белгород, 19^5, 1997); I Regional-Symposium "Chemistry and (lie Environment" (Югославия, Vrnjacka Banja, la95); IV Международной конференции "Экология промышленного региона* (Донецк, 1995); International Congress "Ecological Initiative" (Воронеж, 1996); Всероссийской кедференцин по анализу об век .on окружающем среды "Экоаналитика" (Краснодар, 1996); International
&
Congress of Analytical Chemistry (Москва, 1997); Всероссийской конференции
молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной
химии" (Саратов, 1997); XIV Всероссийской конференции "Пожарная безопас
ность - история, достояние, перспективы" (Москва,' 1997); а также на научных
конференциях ВГТА (1995-1997).
Публикация, Основное содержание диссертации опубликовано в 13 стгтьях, 2 изобретениях, 5 бюллетенях Воронежского ЦНТИ, тезисах 18 докладов на международных и региональных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы (153 источннт
ка, из них 79 на иностранных языках) и приложения (материалы Госкомизобре-
тений РФ, апробации и использования практических разработок). Работа изло
жена на 143 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 27 таб
лиц. '
