PL224328B1 - Przyrząd do rozpoznania skażeń - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do rozpoznania skażeń, przeznaczony do wykrywania i identyfikacji skażeń toksycznych, umożliwiający identyfikację substancji gazowych w szerokim zakresie wilgotności. Przyrząd charakteryzuje się tym, że ma dwie komory DMS (3, 6), pomiędzy którymi znajduje się wymiennik (4) z półprzepuszczalną membraną (5). Pomiędzy wymiennikiem (4) i drugą komorą DMS (6) usytuowana jest zwężka (10). Wylot z komory drugiej (6) jest połączony poprzez pompę (12) i filtr (13) z sitami molekularnymi z wlotem komory drugiej (6) oraz równolegle, poprzez pompę (14) i filtr węglowy (15), z wylotem wymiennika (4). Wlot wymiennika (4) jest połączony z czerpnią powietrza (1), którego wylot jest połączony z wlotem komory pierwszej (3).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do rozpoznania skażeń, przeznaczony do wykrywania i identyfikacji skażeń toksycznych.

Za pomocą współczesnych przyrządów do rozpoznania skażeń możliwe jest wykrywanie i identyfikacja większości substancji organicznych uznawanych za wysokotoksyczne. Do wykrywania wysokotoksycznych substancji chemicznych (bojowe środki trujące, toksyczne substancje przemysłowe), w chwili obecnej, w większości wykorzystuje się detektory oparte o technologię IMS (ang. ion mobility spectrometry - spektrometria ruchliwości jonów) oraz DMS (ang. differential Mobility Spectrometry różnicowa spektrometria ruchliwości jonów).

Komora detektora IMS podzielona jest na dwa obszary. Pierwszy to obszar od membrany półprzepuszczalnej do siatki dozującej, w którym jonizacja dokonywana jest za pomocą źródła β- lub a-promieniotwórczego, drugi to obszar dryftowy - od siatki dozującej do elektrody zbiorczej, zawierający zestaw metalowych pierścieni. Do siatki przed źródłem promieniotwórczym podawane jest wysokie napięcie (na ogół od 1.5 kV do 3 kV), natomiast metalowe pierścienie, kolejno od źródła do elektrody zbiorczej, posiadają coraz niższe potencjały. Wobec tego pole jest tak ukształtowane, żeby jony od obszaru jonizacji przemieszczały się po torach liniowych do elektrody zbiorczej. Większość substancji gazowych ma różne ruchliwości, a zatem czas przelotu jonów przez obszar dryftowy jest różny co daje możliwość ich identyfikacji.

Detektor DMS zbudowany jest z przeciwległych płytek ceramicznych, na które naniesione są elementy elektryczne, a do nich przyłożone jest wysokie napięcie o wysokiej częstotliwości. Pod wpływem wytworzonego w objętości detektora pola elektrycznego następuje segregacja na elektrodzie zbiorczej. Obserwowana segregacja jonów obecnych w przepływającym gazie wynika z ich różnej ruchliwości w polach o mniejszym i większym natężeniu. Ruchliwość jonów jest wielkością zależną od masy, ładunku przepływającego jonu oraz prędkości przepływającego gazu. Pod wpływem zmiennego pola elektrycznego przyłożonego do elektrod następuje wychwycenie jonów, których ruchliwość nie spełnia warunków stabilnego przepływu przez detektor. Uwzględniając występowanie zależności ruchliwości jonów cząstek migrujących przez objętość czynną spektrometru od wartości skompensowanego pola, mamy do czynienia ze swoistego rodzaju filtrem jonowym.

W przypadku detekcji substancji typu H, takich jak iperyt siarkowy, iperyt azotowy czy luizyt, szczególnie istotnym jest zachowanie bardzo niskiego stężenia pary wodnej w powietrzu. Wilgotność względna dla 30°C powinna być poniżej 1%, by można było poprawnie wykrywać te substancje. Obecność bowiem pary wodnej prowadzi do zmniejszenia czułości na badaną substancję, a nawet, do zaniku możliwości detekcyjnych przy wysokich stężeniach.

Aparatura pomiarowa, oparta o klasyczne liniowe spektrometry ruchliwości jonów, IMS, zawiera układy z dwoma obiegami powietrza tzw. zewnętrznym i wewnętrznym. Oba obiegi łączą się ze sobą w wymienniku poprzez membranę separującą.

Przepływy w obiegach są tak dobrane, by stężenie badanej próbki za membraną było wysokie i na ogół wynosiło od 0,2 do 1 l/min.

Taki sposób konstrukcji obiegów powietrza ma na celu eliminację pary wodnej po stronie detektora. Filtr zawiera sita molekularne, które pochłaniają parę wodną z powietrza, natomiast w wymienniku zastosowana jest membrana, która przepuszcza do obiegu wewnętrznego substancje, poddane badaniu (które chcemy wykrywać) i także izoluje parę wodną. Transport badanej substancji przez membranę odbywa się poprzez dyfuzję, zatem ilość medium, które może się przedostać na drugą stronę (do obiegu wewnętrznego) jest ograniczona i zależy od własności fizykochemicznych membrany.

W przypadku niskich przepływów można założyć, że stężenie badanej substancji po stronie obiegu wewnętrznego, przed IMS-em, jest praktycznie takie samo jak w obiegu zewnętrznym - na wlocie.

Zwiększanie wartości przepływu w obiegu wewnętrznym prowadzi do rozcieńczania badanej próbki - bo badana substancja osadza się w filtrze obiegu wewnętrznego.

Prowadzi to do znacznego obniżenia progu detekcji zarówno substancji typu H jak i G (fosforoorganiczne substancje trujące).

Dla układów, gdzie przepływ przez detektor powinien wynosić ponad 1,5 l/min, rozwiązanie to nie spełnia warunków szybkości wymiany gazowej, a zatem taki rodzaj instalacji gazowej jest nieskuteczny. Tak duży przepływ spowodowałby znaczne rozcieńczenie próbki, ponieważ transport przez membranę jest ograniczony. Prowadziłoby to do dużego spadku czułości takiego analizatora.

PL 224 328 B1

W przypadku przepływów ponad 1,5 l/min stosowane są urządzenia, których detektorem jest DMS/FAIMS. Znane rozwiązanie firmy Owlstone ma układ bez membranowy z mieszaniem obiegów. W miejsce membrany stosowany jest trójnik, a zamiast filtru stosowane są sita molekularne, które mają zadanie pochłaniania pary wodnej, bez pochłaniania badanej substancji.

Niestety rozwiązanie to w przypadku wysokiej wilgotności powietrza (powyżej 50% dla 20°C) nie jest skuteczne, ponieważ wilgotność względna w obiegu wewnętrznym przekracza dopuszczalne granice, przy których można wykrywać np. iperyt siarkowy.

Stopień rozcieńczania na ogół jest od kilku do kilkudziesięciu.

Ponieważ sita pochłaniają tylko parę wodną, wobec tego stężenie badanej substancji przed detektorem FAIMS jest praktycznie takie samo jak na wlocie, zaś stężenie pary wodnej jest istotnie niższe niż na wlocie - lecz niejednokrotnie wyższe niż konieczne do wykrywania iperytu siarkowego na niskim poziomie - ponadto takie rozwiązanie powoduje, że koniecznym jest częste wymienianie sit.

W zależności od rodzaju badanej substancji duża wilgotność może utrudniać analizę DMS lub też nie wywierać wpływu na otrzymywany rezultat.

Celem wynalazku było opracowanie przyrządu umożliwiającego wykrycie i rozpoznanie skażenia w warunkach wysokiej jak i bardzo niskiej wilgotności powietrza.

Przyrząd do rozpoznania skażeń według wynalazku, zawierający dwie komory DMS oraz układ osuszający z sitami molekularnymi, znamienny tym, że między komorami DMS, znajduje się wymiennik z półprzepuszczalną membraną. Pomiędzy wymiennikiem i drugą komorą DMS usytuowana jest zwężka, zaś wylot z komory drugiej jest połączony poprzez pompę i filtr z sitami molekularnymi z wlotem komory drugiej, oraz równolegle poprzez pompę i filtr węglowy z wylotem wymiennika. Natomiast wlot wymiennika jest połączony z czerpnią powietrza, którego wylot jest połączony z wlotem komory pierwszej.

Komora I służy do wykrywania i identyfikacji substancji gazowych, dla których obecność dużej ilości pary wodnej (od 5% wilgotności względnej do 98%) w gazowym medium nie wpływa na wynik detekcji natomiast membrana stanowi istotną barierę - co istotnie ogranicza możliwości detekcyjne dla komory II. Substancjami takimi mogą być substancje fosforoorganiczne o dużej cząsteczce np. Vx.

Przyrząd umożliwia jednoczesną analizę czterech kanałów: jony dodatnie i ujemne dla komory I i komory II.

Rozwiązanie poszerza zakres wykrywanych substancji (np. o chlor) przy jednoczesnym wzroście selektywności wykrywanych substancji oraz istotnie polepsza czułość analizatora.

Dla wysokich stężeń substancji fosforoorganicznych dzięki efektowi barierowości zwiększono zakres wykrywanych stężeń.

Przyrząd do rozpoznania skażeń został pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym jego schemat budowy.

Pierwszym zespołem przyrządu jest czerpnia powietrza 1, do której dostarczany jest strumień gazowy wlotem 2. Strumień gazowy przemieszczany jest do komory I 3, a następnie przechodzi przez wymiennik 4, zawierający półprzepuszczalną membranę 5 i dociera do komory II 6. Na wlocie do komory I 3 znajduje się wieża wlotowa 7, na wylocie komory I 3 - wieża wylotowa 8, zaś na wlocie do komory II 6 - wieża wlotowa 9. Obie wieże, usytuowane na wlotach komór, wyposażone są w niepokazane źródła jonizacji gazu. W wieży wlotowej 9 usytuowana jest zwężka 10, poprzez którą przesyłany z wymiennika gaz doprowadzany jest do komory II 6. Na wylocie komory 6 znajduje się wieża wylotowa 11, w której wylot z komory II 6 jest połączony poprzez pompę 12 i filtr z sitami molekularnymi 13 z wlotem komory II 6, oraz równolegle poprzez pompę 14 i filtr węglowy 15 z wylotem wymiennika. Drugi wlot wymiennika jest połączony z czerpnią powietrza. Układ czerpni powietrza zawiera czujnik 16, wskazujący różnicę ciśnień pomiędzy otoczeniem i za wlotem czerpni, zawór 17, blok czujników 18, określających temperaturę, wilgotność i zawartość amoniaku w powietrzu, pompę 19 i filtr węglowy 20. Pomiędzy wlotami i wylotami z komór, a także zwężki, usytuowane są czujniki różnicy ciśnień 21, 22, i 23.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Przyrząd do rozpoznania skażeń, zawierający dwie komory DMS oraz układ osuszający z sitami molekularnymi, znamienny tym, że między komorami DMS (3, 6) znajduje się wymiennik (4) z półprzepuszczalną membraną (5), przy czym pomiędzy wymiennikiem (4) i drugą komorą DMS (6) usytuowana jest zwężka (10), zaś wylot z komory drugiej (6) jest połączony poprzez pompę (12) i filtr (13) z sitami molekularnymi z wlotem komory drugiej (6) oraz równolegle, poprzez pompę (14) i filtr węglowy (15) z wylotem wymiennika (4), natomiast wlot wymiennika (4) jest połączony z czerpnią powietrza (1), którego wylot jest połączony z wlotem komory pierwszej (3).