Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время проблема загрязнения окружающей среды остро встает перед человечеством, они поступают в мировой океан из многих различных источников и часто в больших объемах. Некоторые формы такого загрязнения обусловлены отсутствием обработки сточных вод, промышленными сбросами, вымыванием шахтных отходов, а также вымыванием остатков сельскохозяйственных удобрений и пестицидов.
Создание систем мониторинга среды является одной из существенных задач, стоящих перед наукой. Важными критерием высокого качества среды является соответствие заранее определенным нормам и диапазонам значений физических, геометрических, химических показателей.
Нормирование содержания вредных веществ в среде проводят по предельно допустимым концентрациям (ПДК).
Тяжелые металлы, такие как кобальт, являются весьма токсичными для водной среды. Избыток таких веществ для человека крайне вреден. Регулярное потребление с водой, к примеру, солей кобальта может привести к побочным эффектам на сердце, и в отдельных случаях, к летальному исходу.
Использование кобальта в пищевой промышленности обусловлено тем, что он выступает в качестве стабилизатора пены в пивных продуктах. В тоже самое время, кобальт обладает способностью накапливаться в волокнах сердечной мышцы, после чего стенки сердца становятся дряблыми и слабыми, в миокарде гибнут энергетические станции клеток сердца, появляются мелкие кровоизлияния и сердце начинает плохо сокращаться и не справляться со своей основной задачей – перекачивать кровь. ПДК солей кобальта в жидкости определено как 0,1 мг/л, 2 класс опасности.
Для оперативного и дистанционного контроля и регулирования ПДК в исследуемой среде широкое применение получили методы с использованием оптических анализаторов, это обусловлено рядом преимуществ: скоростью отклика, обеспечением частичной или полной автоматизации производства, высокой чувствительностью, малой массой и габаритами, такие анализаторы могут работать автономно, без вмешательства оператора, причем они работают с системами накопления и автоматизированной обработки информации.
C целью поиска и оптимизации характеристик, разрабатываемого оптического анализатора были использованы методы моделирования.
Цель работы: Разработать оптический метод анализа концентрации солей кобальта в водном растворе с использованием полимера.
Основные задачи исследования:
1. Проанализировать известные методы для определения концентрации веществ в водных растворах и на основе анализа предложить альтернативное схемотехническое решение анализатора.
-
Провести изучение материалов, используемых в качестве чувствительного и волноводного слоя к анализируемому веществу и выбрать, удовлетворяющие условиям, при которых будет достигаться достаточная чувствительность.
-
Разработать модель обнаружения, на основе которой возможно производить оптимизацию параметров анализатора.
-
Разработать имитационную модель анализатора на основе экспериментально полуденных данных.
Научная новизна:
Исследованы физико-химические свойства нового полимерного материала
и дана их интерпретация:
o Зависимость спектра пропускания полимера от заданных условий (от времени набухания полимера и концентрации кобальта в растворе);
o Исследовано изменение показателя преломления полимера от заданных условий;
o Исследована величина абсорбции полимера от заданных условий;
o Получена зависимость величины сенсорного эффекта анализатора от концентрации соли кобальта в растворе в диапазоне от 0,001 до 0,1 моль, а время срабатывания получено менее 2 мин.
Представлена оптимизированная методика измерения оптических свойств тетразолсодержащего акрилового гидрогеля с различным временем набухания;
Впервые предложен анализатор, в котором в качестве хемочувствительного слоя используется полимерный материал, что позволяет достигнуть невысокой цены и миниатюрности.
Практическая значимость работы:
Показана возможность использования акриловых гидрогелей в качестве чувствительного слоя оптического анализатора;
Разработана математическая модель интегрально-оптического анализатора в программной среде пакета Matlab, отражающая зависимость таких параметров, как: угол падения на структуру, угол отражения внутри волноводного слоя, оптические свойства материалов, используемых в сенсорном элементе, длину волну источники излучения;
Определены оптимальные геометрические размеры составных частей сенсорного элемента;
На основе предложенного метода представлена схема интегрально-оптического анализатора с трехслойной структурой и торцевым вводом излучения в волновод.
Реализация результатов диссертационной работы.
Исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, внедрены в учебный процесс факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО при подготовке бакалавров
образовательной программы 16.03.01 «Техническая физика» и 12.03.05 «Лазерная техника и лазерные технологии».
Апробация работы и публикации
XL научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, 2011г.; Седьмая международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2011», 2011г.; I Всероссийский конгресс молодых ученых НИУ ИТМО, 2012г.; 8th International Conference on ODF'12, 2012г.; XLII научная и учебно-методическая конференция, 2013г.; Международная научно-практическая конференция "Свет Петербурга 2013", 2013г.; II Конгресс Молодых Ученых НИУ ИТМО, 2013г.; Международная научно-практическая конференция "Sensorica 2013", 2013г.; XLIII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, 2013г.; III Всероссийский конгресс молодых ученых, 2014г.; Международная научно-практическая конференция "Sensorica 2014", 2014г.; IV Конгресс Молодых Ученых Университета ИТМО, 2015г.
Материалы диссертации опубликованы в 17 научных статьях, из них 2 в изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук (список ВАК).
Личный вклад автора
Постановка цели и задач диссертационной работы были проведены совместно с научным руководителем работы. Представленные в диссертационной работе результаты имитационного моделирования анализатора, проведенные эксперименты по выявлению физико-химических характеристик тетразолсодержащего гидрогеля и динамики их изменения, обработка и анализ полученных в них результатов были получены лично соискателем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и заключения, и трех глав. Содержит 7 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 13 таблиц и список источников из 66 позиций.