PL231031B1 - Układ do absorpcji cząsteczek z fazy gazowej do cieczy i detekcji tych cząsteczek - Google Patents

Abstract

Układ do absorpcji cząsteczek z fazy gazowej do cieczy i detekcji tych cząsteczek w detektorze przepływowym, posiadający komorę absorpcyjną z dnem, korzystnie w kształcie lejka, charakteryzuje się tym, że wylot (2), znajdujący się w dolnej części komory absorpcyjnej (1), połączony jest z wejściem pompy pulsowej (3), której wylot jest połączony z dyszą (4) rozpylającą ciecz, znajdującą się w górnej części komory absorpcyjnej (1), a drugi wylot (5) komory absorpcyjnej (1) połączony jest z detektorem przepływowym (6) poprzez pompę pulsową (7) lub połączony jest bezpośrednio z detektorem (6), a pompa pulsową (7) połączona jest z wylotem detektora (6).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do absorpcji cząsteczek z fazy gazowej do cieczy i detekcji tych cząsteczek, który może być zastosowany w urządzeniach do analizy zanieczyszczeń powietrza i ich monitoringu, w detektorach zapachów, w urządzeniach do diagnostyki medycznej na podstawie wydychanego powietrza.

Analizy chemiczne prowadzone w sposób rutynowy we współczesnych laboratoriach wykonywane są często w warunkach przepływowych. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwa jest automatyzacja oznaczeń i miniaturyzacja całych systemów pomiarowych. Z kolei, dzięki automatyzacji, możliwe jest osiągnięcie znacznie wyższej precyzji oznaczeń oraz skrócenie czasu analizy. Ważne są też względy ekonomiczne i ekologiczne: oszczędność odczynników i tym samym szkodliwych dla środowiska ścieków oraz energooszczędność urządzeń pomiarowych. Wśród technik przepływowych wymienić należy przede wszystkim klasyczną już analizę przepływowo-wstrzykową (FIA, ang. flow injection analysis) realizowaną w układzie, gdzie ruch cieczy odbywa się w sposób ciągły i wymuszony jest za pomocą jednej lub wielu pomp perystaltycznych. Wprowadzanie roztworu próbki i reagentów do strumienia nośnego, którym jest najczęściej najtańszy reagent lub woda, odbywa się zazwyczaj za pomocą zaworu wstrzykowego, który obsługiwany jest ręcznie przez analityka. Wadą tego typu układów, poza ograniczonym stopniem automatyzacji, jest stosunkowo duże zużycie odczynników.

Zmniejszenie ilości zużywanych odczynników i większą automatyzację procedur analitycznych osiągnąć można w układach przepływowych dzięki zastosowaniu elementów elektrycznie sterowanych i komputerowo programowanych. Do elementów tego rodzaju zaliczyć można zawory elektromagnetyczne stosowane w multikomutacyjnej analizie przepływowej (MCFA, ang. multicommutation flow analysis) oraz elektromagnetyczne mikropompy pulsowe stosowane w analizie multipompowej (MPFS, ang. multi-pumping flow system). Najczęściej stosowanymi zaworami elektomagnetycznymi są zawory trójdrożne. Ich rola sprowadza się do zmiany kierunku płynięcia cieczy w elastycznych przewodach układu przepływowego. Normalnie otwarte są one w tzw. pozycji „0”. Odpowiednio zaprogramowany komputerowo impuls elektryczny może przełączyć zawór trójdrożny w pozycje „1” i zmienić w ten sposób kierunek płynących w systemie cieczy. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest wprowadzanie zarówno próbki, jak i reagentów do strumienia nośnego. Zawory elektromagnetyczne przejęły więc w układach MCFA rolę manualnie obsługiwanych zaworów stosowanych w FIA.

W układach MCFA stosuje się pompy perystaltyczne jako elementy wymuszające ruch cieczy. Jest to najdroższy i największy element całego systemu przepływowego. W analizie MPFS pompa perystaltyczna zastąpiona została tańszymi, bardzo precyzyjnymi i odpornymi chemicznie mikropompami pulsowymi. Dodatkowo pompy pulsowe mają niewielkie rozmiary i mogą być zasilane napięciem 12 V. Obydwa typy systemów przepływowych, tzn. MCFA oraz MPFS łączy się uzyskując sieć sprzężonych ze sobą zaworów elektromagnetycznych i pomp pulsowych. Rozwiązanie takie daje możliwość całkowitej automatyzacji pomiarów, przy jednoczesnej miniaturyzacji całego systemu przepływowego i oszczędności energii.

Typowe analizy chemiczne w układach przepływowych sprowadzają się do oznaczeń w fazie ciekłej. Oznaczeń substancji w fazie gazowej dokonuje się rzadko ponieważ wymagają one przeprowadzenia analitu z fazy gazowej do ciekłej. Pozwala to jednak dodatkowo na zwiększenie selektywności metody i wstępne zatężenie analitu. Właściwego oznaczenia badanej substancji, z wykorzystaniem odpowiedniej techniki detekcji, dokonuje się dopiero w dalszym etapie.

Przeprowadzenie oznaczanej substancji z fazy gazowej do ciekłej w technikach przepływowych można wykonać na drodze ekstrakcji membranowej przez błony półprzepuszczalne. Efekt rozdzielenia zależy od selektywności materiału membrany oraz rozpuszczalności składników gazu w tej membranie. Współczynniki dyfuzji gazu w membranie można modyfikować poprzez zmianę takich parametrów ekstrakcji jak temperatura i ciśnienie. Urządzeniami analitycznymi wykorzystującymi ekstrakcję membranową gaz-ciecz są m.in. denudery permeacyjne, dozymetry permeacyjne, permeacyjne osuszalniki strumienia gazów oraz dozowniki w spektrometrach mas, umożliwiające wprowadzenie próbki gazowej do komory jonizacyjnej.

W klasycznych metodach analitycznych ekstrakcja gaz-ciecz polega na przepuszczaniu strumienia gazu przez płuczkę, w której znajduje się ciecz absorbująca gaz. Płuczka musi zapewnić wystarczający kontakt gazu z cieczą. Najczęściej stosowane są płuczki z tzw. bełkotką którą może stanowić rurka szklana zakończona kulką, w której znajdują się otwory o określonej średnicy, najczęściej rzędu 0,5-1 mm.

PL 231 031 B1

Końcówka bełkotki może być też wykonana ze szkła porowatego (np. płuczka Vasaka). Płuczki pochłaniające mogą mieć różne konstrukcje (płuczka Dreschla, Połażejewa, Zajcewa) i pojemności (najczęściej od 100 do 500 cm³). W typowej płuczce Dreschla zewnętrzne średnice rurek wlotowych i wylotowych wynoszą zazwyczaj ok. 10-12 mm, rurka doprowadzająca powietrze do roztworu ma średnicę 6 do 8 mm, a jej odległość od dna płuczki wynosi od 5 do 10 mm. W celu zaabsorbowania odpowiedniej ilości gazu aspirator zapewnia przepływ np. powietrza przez płuczkę z prędkością kilkudziesięciu dm³/godz. Czas pobierania próbek na tej zasadzie zależy od metody oznaczeń i od objętości cieczy absorbującej. Wynosić on może np. od 20 min (10 cm³ roztworu pochłaniającego) do 24 godz. (50 cm³ roztworu pochłaniającego).

Według wynalazku układ do absorpcji cząsteczek z fazy gazowej do cieczy i detekcji tych cząsteczek posiadający komorę absorpcyjną z dnem korzystnie w kształcie lejka, charakteryzuje się tym, że jeden wylot znajdujący się w dolnej części komory absorpcyjnej połączony jest z wejściem pompy pulsowej, której wylot jest połączony z dyszą rozpylającą ciecz znajdującą się w górnej części komory absorpcyjnej, a drugi wylot komory absorpcyjnej połączony jest z detektorem przepływowym poprzez pompę pulsową lub połączony jest bezpośrednio z detektorem, a pompa pulsowa połączona jest z wylotem detektora.

Istotą wynalazku jest zastosowanie mikropomp pulsowych w układzie przeznaczonym do adsorpcji cząsteczek z fazy gazowej do cieczy i analiza chemiczna tych cząsteczek w układzie przepływowym. Układ do adsorpcji składa się z komory, w której następuje wymiana cząsteczek między fazą gazową, a cieczą. W dolnej części komory znajduje się ciecz absorbująca cząsteczki z gazu, która za pomocą mikropompy pulsowej jest pompowana do górnej części komory i jest tam rozpylana, po czym spływa po ścianach komory. Po zakończeniu procesu adsorpcji porcja roztworu jest pobierana za pomocą mikropompy pulsowej z dolnej części komory i wprowadzana do detektora, który w zależności od rodzaju oznaczenia może być np. detektorem fotometrycznym, elektrochemicznym czy chemiluminescencyjnym. Układ według wynalazku w porównaniu z klasycznymi metodami charakteryzuje się zużyciem niewielkiej ilości odczynników i energii elektrycznej. Przeznaczony jest do wykorzystania w zautomatyzowanych analizatorach, pracujących w warunkach przepływowych. Może być też wykorzystany w przenośnych analizatorach gazów stosowanych w warunkach terenowych oraz w układach służących do diagnostyki medycznej na podstawie analizy powietrza wydychanego przez pacjenta.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym układ w widoku schematycznym.

Układ według wynalazku może być zastosowany do oznaczania dwutlenku azotu w powie trzu atmosferycznym metodą spektrofotometryczną z odczynnikiem Saltzmana.

Dwutlenek azotu obecny w badanym powietrzu pochłaniany jest przez zasadowy roztwór arsenianu(lll) sodu. W warunkach tych powstaje azotan(lll) sodu, który następnie reaguje z tzw. odczynnikiem Salzmana. W wyniku reakcji powstaje barwny związek dwuazowy. Intensywność zabarwienia, proporcjonalną do stężenia dwutlenku azotu, mierzy się spektrofotometrycznie przy długości fali 550 nm.

Układ do absorpcji cząsteczek z fazy gazowej do cieczy i detekcji tych cząsteczek, wyposażony w komorę absorpcyjną 1 z dnem korzystnie w kształcie lejka, charakteryzuje się tym, że wylot 2 znajdujący się w dolnej części komory 1 połączony jest z wejściem pompy pulsowej 3, której wylot jest połączony z dyszą 4 rozpylającą ciecz znajdującą się w górnej części komory 1, a drugi wylot 5 w dolnej części komory 1 połączony jest z detektorem przepływowym 6 poprzez pompę pulsową 7.

Układ do adsorpcji dwutlenku azotu wykonany jest z wałka teflonowego o średnicy 40 mm, w którym znajduje się komora 1 o średnicy 12 mm i długości 40 mm. Dolna część komory ma kształt lejka, do którego dochodzą cztery kanały. Objętość komory wynosi około 5 ml. Objętość cieczy znajdującej się w komorze wynosi 500 pl. Objętości mikropomp pulsowych stosowanych w układzie wynoszą po 100 pl. Połączenia pomiędzy elementami układu wykonane są z rurek teflonowych o średnicy wewnętrznej 0,8 mm.

Roztwór nośny 8 wprowadzany jest do komory absorpcyjnej 1 za pomocą pompy pulsowej 9 poprzez wlot 10. Analizowane powietrze doprowadzane jest do komory 1 przez wlot 11, znajdujący się w dolnej części komory, a wypływa przez wylot 12, znajdujący się w górnej części komory, powyżej dyszy 4 rozpylającej ciecz. Ciecz pompowana jest do dyszy 4 za pomocą pompy pulsowej 3 z dolnej części komory poprzez kanał 2. Ciecz rozpylana jest poprzez 4 dysze o średnicy 0,3 mm na ścianki komory, po których spływa z powrotem na dół. Proces rozpylania cieczy i pochłaniania prowadzony jest tak długo, aby ilość pochłoniętej z powietrza substancji mogła być oznaczona za pomocą zastosowanego detektora. Po zakończeniu procesu absorpcji porcja roztworu pobierana jest za pomocą pompy

PL 231 031 Β1 pulsowej 7 i wprowadzana do detektora 6, z którego wypływa do ścieków 13. Pozostała część roztworu usuwana jest z komory kanałem 14 do ścieków za pomocą pompy pulsowej 15, z pominięciem detektora. Unika się dzięki temu zapowietrzenia kanałów detektora, co może powodować jego nieprawidłową pracę. Wraz z próbką, przy użyciu dodatkowej mikropompy pulsowej, do detektora wprowadzany jest jednocześnie odczynnik Saltzmana.

Zastosowanie mikropomp pulsowych pozwala na zasilanie urządzenia niskim napięciem 12V i charakteryzuje się niewielkim poborem mocy. Jeden cykl pompy powodujący przepompowanie porcji cieczy, np. 100 μΙ, wymaga pojedynczego impulsu o natężeniu prądu około 300 mA i czasie trwania 0.3 s.

Niewielka objętość roztworu pochłaniającego analizowane cząsteczki, co najmniej kilkadziesiąt razy mniejsza od typowych układów, wymaga proporcjonalnie mniejszej ilości powietrza przepuszczanego przez układ do absorpcji. Dzięki tak małej objętości roztworu pochłaniającego dwutlenek azotu wielokrotnie zmniejsza się też ilość niebezpiecznych odpadów, jakim są związki arsenu.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Układ do absorpcji cząsteczek z fazy gazowej do cieczy i detekcji tych cząsteczek w detektorze przepływowym, posiadający komorę absorpcyjną z dnem korzystnie w kształcie lejka, znamienny tym, że wylot (2) znajdujący się w dolnej części komory absorpcyjnej (U połączonyjest z wejściem pompy pulsowej (3), której wylot jest połączony z dyszą (4) rozpylającą ciecz znajdującą się w górnej części komory absorpcyjnej (U, a drugi wylot (5) komory absorpcyjnej (U połączony jest z detektorem przepływowym (6) poprzez pompę pulsową (7) lub połączonyjest bezpośrednio z detektorem (6), a pompa pulsowa (7) połączona jest z wylotem detektora (6).