Введение к работе
Актуальность работы
Возрастающие масштабы антропогенного воздействия на природу с особой остротой выдвигают проблему организации систем наблюдения и контроля содержания токсикантов в природных средах, а также обнаружения токсической опасности химических продуктов и материалов, выпускаемых промышленностью. Так, установление соответствия продукции различного назначения санитарно-гигиеническим нормативам и государственным стандартам качества связано с необходимостью контроля содержания в них токсичных примесей. Жесткие требования почистоте материалов предъявляетнаряду с оптоволоконной, электронной техникой и пр. производство изделий и приборов медицинского назначения. При решении экологических проблем - утилизации или изоляции от окружающей среды промышленных отходов - также возникает задача идентификации и количественного определения токсикантов-загрязнителей.
Методом массового аналитического контроля содержания токсичных и лимитируемых примесей в различных материалах является атомно-эмиссионный анализ. Последнее объясняется доступностью аппаратуры для проведения исследования состава, возможностью одновременного определения примесей, сравнительно низкими пределами обнаружения и т. д.
Основной трудностью, ограничивающей возможности атомно-эмиссионного анализа, является матричное влияние. Эффект матрицы вызывает появление зависимости аналитического сигнала, испускаемого элементом (элемент - примесь) от присутствия и концентрации сопутствующего элемента (элемент - матрица). Устранение влияний может быть успешным только при полном понимании сущности процессов, протекающих при возбуждении спектра.
В связи с этим необходимо детальное изучение эффектов влияния матрицы в реальныхсистемах, возникающих при проведении атомно-эмиссионного анализа с привлечением порошкового графита (универсальной модифицирующей добавки или коллектора примесей). Такие системы формируются при определении микропримесей в соединениях бора, мышьяка, селена, железа, марганца Настоящая работа посвящена изучению матричного влияния и разработке методик определения токсичных и лимитируемых примесей в материалах на их основе.
Выбор объектов исследования обусловлен широким применением их в процессе очистки воды, изготовления прэмиксов, в парфюмерной, фармацевтической, оптоволоконной и электронной промышленности, атакже в связи с задачей по классификации опасности отходов производств. Результаты исследований направлены на решение таких актуальных проблем атомно-эмиссионного анализа, как снижение пределов обнаружения и увеличение точности определения токсичных и лимитируемых элементов.
Целью работы является изучение эффектов влияния матричного компонента и разработка на этой основе методик атомно-эмиссионного определения токсичных и лимитируемых примесей в бор-, мышьяк-, селен-, железо- и марганецсодержащих материалах для обеспечения экологической безопасности человека и природной среды.
Задачи работы
1. Изучить влияние матричного компонента на результаты атомно-эмиссионного определения
примесей тяжельж металлов и ряда лимитируемых элементов в формируемых при выполнении
анализа системах с порошковым графитом (универсальной модифицирующей добавкой либо
универсальным коллектором примесных элементов).
2. Исследовать закономерности и выявить факторы, ответственные за особенности
изменения аналитического сигнала микропримесей в зависимости от содержания мышьяка,
селена, бора, железа или марганца.
3. Предложить и обосновать способы устранения влияния матричного компонента при
решении задач по аналитическому и экологическому контролю исследуемьж объектов над
содержанием примесей лимитируемых и токсичных элементов.
4. Разработать методики определения токсичных и лимитируемых примесей в ряде бор-,
мышьяк-, селен-, железо- и марганецсодержащих материалов, отвечающие современным
требованиям по уровню технической и экологической безопасности.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
Работа выполнена по заданию Министерства образования РФ в рамках НИР тематического плана «Теоретико-экспериментальные исследования в области методов анализа токсикантов в объектах окружающей среды. Разработка научньж основ переработки отходов и другого нетрадиционного химического сырья» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского. Проведенное исследование относится к проблемам, решаемым с помощью химической аналитики, входящей в перечень основных направлений фундаментальньж исследований в областихимической науки и науки о материалах, утвержденный Постановлением Президиума РАН в июле 2003 г.
Научная новизна работы
Для обеспечения достоверности количественного определения и снижения пределов обнаружения впервые установлены закономерности изменения интенсивности линий примесей тяжелых металлов в бинарных аналитических системах на основе соединений бора, мышьяка, селена, железа или марганца с порошковым графитом.
Показано, что независимо от сложности спектра найденные закономерности имеют нелинейный характер с появлением максимума при невысоких концентрациях исследуемых матриц.
Выявлены спектроскопические факторы, ответственные за формируемые закономерности: изменение температуры дуговой плазмы и качества процессов парообразования при возбуждении спектра, а также уровня сплошного фона, проявляющегося в зависимости от вида матрицы и ее концентрации в изучаемых системах.
Практическая значимость работы
Установленные закономерности влияния переменных количеств матричного компонента, а также данные по устранению неблагоприятного воздействия этого эффекта могут быть использованы для улучшения метрологических характеристик при разработке методик атомно-эмиссионного анализа на содержание токсичных и лимитируемых элементов.
Полученные результаты использованы нами при разработке эффективных методик анализа отходов металлургического производства, соединений бора, мышьяка, селена, железа и марганца, применяемых в качестве препаратов для очистки воды (хлорид железа (III)), в парфюмерной и фармацевтической (диметиламинборан, борная кислота), электронной (оксид железа (Ш)) отраслях промышленности, марганецсодержащих прэмиксов, в медицинской технике (металлический мышьяк, селен элементарный).
Результаты работы внедрены и используются для аналитического и экологического контроля различных материалов в Аккредитованном Испытательном лабораторном центре НИИ Химии, а также в учебном процессе кафедры фотохимии и спектроскопии Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского.
На защиту выносятся
-
Закономерности изменения интенсивности линий примесей тяжелых металлов и лимитируемьж элементов в присутствии переменньж содержаний мышьяка, селена, оксидов бора, железа и марганца в бинарньж системах с порошковым графитом.
-
Выявленные факторы, ответственные за наблюдаемые эффекты матричного влияния на интенсивность линий микропримесей при их определении в исследуемых системах: экспериментально установленные данные по значимости процессов изменения парообразования и условий возбуждения спектра микропримесей при введении в дуговую плазму аналитических систем с переменным содержанием основного компонента.
3. Рекомендации по ослаблению негативного влияния матрицы, искажающего
на 100 - 1000 % результаты атомно-эмиссионного определения токсичньж и лимитируемьж
примесей.
4. Методические разработки по определению токсичньж и лимитируемьж примесей в В-,
As-, Se-, Fe-, Mn-содержащих материалах на уровне нормируемых (10 4 - 10 6% мае.) и
экологически безопасных (0.01 - 0.001 мг/кг) концентраций.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на XXII Съезде по спектроскопии (Заречный, 2001 г.), III Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2002 г.), Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы аналитической химии» (Московская обл., 2001 г.), Всероссийской конференции «Аналитика России» (Московская обл., 2004 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений» (Нижний Новгород, 2001 г.), Ш и IV Конференции молодьж ученьж Нижнего Новгорода (Нижний Новгород, 2000 и 2001 гг.), 7-ой Нижегородской сессии молодьж ученьж (Нижегородская обл., 2002 г.) и региональной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной аналитической химии» (Пермь, 2002).
Публикации
По теме диссертации опубликовано тринадцать работ, в том числе четыре статьи в центральной печати.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы (180 наименований) и содержит 185 страниц текста, 11 таблиц, 64 рисунка.
