Фтороводород в воздухе

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный  электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ)

 

 

 

 

Кафедра ИЗОС

 

 

 

 

 

 

 

  «ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ФТОРОВОДОРОДА В ВОЗДУХЕ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Санкт-Петербург

2011г.

 

 

 

Оглавление

1. Введение 3

2. Обоснование выбранного метода 4

3. Процедура анализа 5

4. Реализация метода с позиции БТС лабораторного анализа 7

5. Критерии для выбора соответствующего анализатора 8

6. Описание метода  измерения и первичного преобразователя 9

7. Цепь вторичных преобразователей 13

8. Способ регистрации, отображения и использования информации 16

9.Способы улучшения технического метода. 17

10. Перечень приборов и оборудования, необходимого для анализа. 17

11. Источники основных составляющих полной погрешности 19

12. Способы поверки аппаратуры 21

13. Выводы 22

 

Список использованной литературы 23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

При вдыхании фториды сильно поражают дыхательные  органы. Негативное действие фтора  на урожайность и здоровье людей  отмечено во многих районах.

Для фтора  характерен один из самых высоких  показателей глобальной деструктивной  активности. По силе своего воздействия  на организм он сопоставим с действием  кадмия. Выше этот показатель только для  ртути, поэтому при определении  экологического состояния территорий обязательно учитывают содержание фтора в почвах, природных источниках и атмосфере.

Поступление фтора в атмосферу имеет как  природное, так и техногенное  происхождение. Главными источниками  поступления фтора в окружающую среду являются:

 

• разрушающиеся  горные породы, содержащие фтор;

 

• выбросы  вулканических газов;

 

• выбросы  промышленных предприятий.

2. Обоснование  выбранного метода

В данной работе исследуется процедура определения  концентрации фтороводорода в атмосферном воздухе. Для этого выбран потенциометрический анализ.

Метод основан на поглощении фтороводорода (HF) из воздуха фильтром, содержащим двузамещенный фосфат калия, с последующей экстракцией водой и дальнейшим потенциометрическим анализом с использованием pH-метра с фтор-селективным электродом и вспомогательным хлорсеребряным электродом. Потенциометрический анализ основан на измерении ЭДС и электродных потенциалов как функции концентрации анализируемого раствора. Он относится к группе электрохимических методов без наложения внешнего (постороннего) потенциала.

Большое практическое значение имеют потенциометрические методы определения рН раствора со стеклянными и другими электродами, а также прямые потенциометрические определения концентрации (активности) ионов с помощью ионоселективных электродов (ионометрия). Сконструированы ионоселективные электроды на ионы Cu²⁺, Ag⁺, Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Cl^-, F^-, S^2-, NO₃^- и др., их успешно применяют в анализе различных технологических растворов, объектов окружающей среды и т.д. Потенциометрические датчики на основе ионоселективных электродов позволяют следить за ходом технологического процесса. pH-метры предназначены для определения концентрации различных веществ в растворах, с использованием соответствующих электродов.

Областью применения анализаторов с фторселективным электродом являются санэпидемстанции и станции экологического контроля, где происходит определение ионов F^- в различных жидких средах и твердых веществах, для анализа биологических материалов, сточных вод, минеральных удобрений, фармацевтических средств.

Предельно допустимая максимальная концентрация в воздухе 0,02 мг/м³, среднесуточная – 0,005 мг/м³.

Объект исследования – воздух, относящийся к внешней группе.

 

3. Процедура анализа

 

 

 

Доаналитический этап
Внелабораторный	Формирование диагностической гипотезы	Повышенное содержание фтороводорода  в атмосферном воздухе
	Забор и доставка пробы	Забор воздуха
Внутрилабораторный	Подготовка технических средств  исследования – подготовка ФСЭ	Фторселективный электрод (ФСЭ) предварительно выдерживают 24 часа в исходном стандартном  растворе (Rст), содержащем 1 мг/мл ионов фтора (F-). Затем ФСЭ промывают в течение часа проточной водой, пока его потенциал не достигнет Emax= 250…300 мВ. После окончания измерений ФСЭ сушат фильтровальной бумагой, помещают в раствор холостой пробы и выдерживают до установления нулевого потенциала (для отмывки мембраны от ионов фтора)
	Постановка лабораторных методик, подготовка реагентов	Определение содержания фтороводорода в воздухе потенциометрическим методом
	Пробоподготовка	1.Отбор пробы (приготовление опытной  пробы): воздух с определённой скоростью аспирируют в течение 5 минут через фильтр, содержащий раствор фосфата калия. 2. Транспортировка пробы в лабораторию  (если анализ не производится  непосредственно  на месте  отбора) 3. Хранение пробы 4. Подготовка пробы к анализу,  приготовление контрольной пробы: фильтр с отобранной пробой помещают в полиэтиленовую мензурку, добавляют 5 мл воды и перемешивают, экстракт сливают. Данное экстрагирование повторяют 3 раза, экстракты объединяют и доводят объем водой до 25 мл.
Аналитический этап
Внутрилабораторный	Построение калибровочного графика	В полиэтиленовые мензурки вносят 7 стандартных  растворов, содержащих известные концентрации NaF (от 0 – холостая проба – до 50 мкг фтора) и доводят водой до 25 мл. Содержание мензурок промывают 4 мл цитратного буфера и перемешивают. Затем в растворы последовательно погружают ФСЭ и через 3 мин измеряют потенциалы. По полученным результатам строят график зависимостей Е(мВ)=f(С*, мкг), где С* - концентрация ионов фтора.
	Дозирование материалов и реагентов	В полученный раствор добавляют 4 мл цитратного буфера
	Измерение физических величин	Проводят потенциометрическое измерение  с ФСЭ. Контрольный опыт с чистым фильтром проводят параллельно.
	Вычисление диагностического параметра	Содержание фтора вычисляют по калибровочному графику. Концентрацию фтора в воздухе определяют по формуле: С=a/V, где a – масса вещества в пробе,V – объем исследуемой массы воздуха. Затем пересчитывают на фтороводород с коэффициентом 1.05
Постаналитический этап
	Оформление результата исследования, регистрация в лабораторной базе данных	Регистрирование полученных результатов концентрации фтороводорода в воздухе в базу данных лаборатории
	Контроль аналитической информации врачом-лаборантом	Определение уровня содержания фтороводорода в воздухе
Внелабораторный	Анализ результата исследований врачом-экологом и принятие решений	Оценка состояния атмосферного воздуха, уровня его загрязнения фтороводородом. Принятие решений о проведении (если потребуется) необходимых очистительных и профилактических работ

Перечень используемых реактивов  и материалов: исследуемая проба воздуха, вода, фильтр, содержащий двузамещенный фосфат калия, стандартные растворы для проверки и вымачивания электродов (буферный раствор), растворы, содержащие известные концентрации ионов фтора (от 0 до 50 мкг фтора), фильтровальная бумага.

 

4. Реализация метода с позиции БТС лабораторного анализа

Биотехническая система  лабораторного анализа (БТС ЛА) –  взаимосвязь биологической и  физической информации. Для того, чтобы  произвести аналитическое исследование, необходимо создать замкнутый контур БТС ЛА.

Биологическая информация

 

физическая  информация

ОС – окружающая среда

 

СОП  – средство отбора пробы

 

СПП  – средство пробоподготовки

 

СОИ  – средство отображения информации

 

СВ  – средства воздействия

 

5. Критерии для выбора соответствующего анализатора

 

При выборе метода количественного  определения того или иного элемента в веществе надо учитывать:

Для анализируемого вещества:

· содержание определяемого элемента

· общий состав вещества

· количество анализируемого вещества

· свойства определяемого элемента и других элементов вещества

Для метода:

· границы определяемых концентраций

· точность метода

· специфичность метода

· сложность метода

· требуемое время анализа

 

Диапазон измерения концентраций: 0.015…1.0 мг/м³. Для определения микроконцентраций  F–-ионов предложено использовать потенциометрический метод анализа, т.к. он дает в этом случае достаточную степень точности. При измерениях микроконцентраций F–-ионов с помощью фторидселективного электрода в качестве фонового электролита необходимо использовать 0,01 М уксусную кислоту.

Фторидселективный электрод должен быть чувствителен к микроконцентрациям фторид-иона, иметь рабочую температуру 25°С, также индикаторный электрод должен удовлетворять ряду требований:

· необходимо, чтобы его потенциал был воспроизводим и устанавливался достаточно быстро

· должен быть обратим

· электрод должен обладать определенной химической устойчивостью, чтобы не реагировать с другими компонентами исследуемого раствора

Этим требованиям удовлетворяет твердый мембранный лантанфторидный электрод. Также необходим измерительный блок с разъемами под ионоселективный электрод и хлорсеребряный электрод сравнения.

Для проведения измерений  требуется хорошая подготовка лабораторного  персонала, т.к. мембрана ионоселективного электрода — очень нежная деталь, требующая знаний техники безопасности, метода подготовки и хранения фторселективного электрода.

 

 

 

6. Описание метода измерения и первичного преобразователя

 

Выделение ионов F-. F– - ионы химически активны. Для разрушения связи HF и перевода F– -ионов в свободное состояние используется фильтр с K₂HPO₄, образующим с H⁺ более устойчивые комплексы, чем с F–-ионами. Для этого отобранную в полевых условиях пробу воздуха аспирируют с определенной скоростью через фильтр, содержащий раствор фосфата калия, затем экстрагируют в воду и получают раствор, содержащий ионы фтора, концентрацию которых необходимо определить.

Потенциометрия. Потенциометрические методы основаны на измерении ЭДС: Е = Е₁-Е₂; где Е – ЭДС, Е₁ и Е₂ – потенциалы электродов исследуемой цепи.

Потенциал электрода Е  связан с активностью и концентрацией  веществ, участвующих в электродном  процессе, уравнением Нернста:

где Е⁰ – стандартный потенциал редокс-системы; R – универсальная газовая постоянная, равна 8.312 Дж/(моль*К); Т – абсолютная температура, К; F – постоянная Фарадея, равная 96485 Кл/моль; n – число электронов, принимающих участие в электродной реакции; a_ox, a_red – активности соответственно окисленной и восстановленной форм редокс-системы; [ox], [red] – их молярные концентрации; g_ox, g_red – коэффициенты активности.

Относительные значения электродного потенциала находят, комбинируя данный электрод со стандартным водородным электродом, который является общепринятым международным стандартом. В практической работе вместо хрупкого нередко капризного водородного электрода применяют  специальные, более удобные в работе стабильные электроды сравнения, потенциал которых по отношению к стандартному водородному электроду точно известен.

Интенсивное развитие потенциометрии в последние годы связано, главным  образом, с появлением разнообразных  типов ионоселективных электродов, позволяющих проводить прямые определения  концентрации многих ионов в растворе, и успехами в конструировании  и массовом выпуске приборов для  потенциометрических измерений.

Потенциометрические методы анализа подразделяют:

- прямая потенциометрия (ионометрия) – основана на прямом применении  уравнения Нернста для нахождения  активности или концентрации  участника электродной реакции  по экспериментально измеренной  ЭДС цепи или потенциалу соответствующего  электрода.

- потенциометрическое титрование  – точку эквивалентности определяют  по резкому изменению (скачку) потенциала вблизи точки эквивалентности.

Для проведения потенциометрического анализа обычно собирают гальванический элемент, на одном из электродов которого протекает электрохимическая реакция  с участием определяемого иона или  иона, реагирующего с определяемым. Также необходим стандартный  гальванический элемент, в качестве которого используется элемент Вестона, обладающий постоянным и воспроизводимым  значением ЭДС.

Стандартный гальванический элемент. Нормальный элемент Вестона обладает ЭДС с строго постоянным воспроизводимым значением, сохраняющимся в течение многих лет, и имеет незначительный температурный коэффициент. Электродами элемента Вестона являются ртуть (положительный полюс) и насыщенная амальгама кадмия, содержащая 12,5 % Cd (отрицательный полюс), а электролитом – насыщенный водный раствор по отношению к CdSO₄*8/3H₂O и Hg₂SO₄. Чтобы обеспечить существование насыщенного раствора, в элемент в контакте с электролитом вводят кристаллы этих соединений. Электрохимическая цепь элемента Вестона имеет вид:

При его работе протекает  электрохимическая реакция:

ЭДС элемента Вестона может  быть рассчитана по формуле:

в обычной аналитической  работе квадратичным членом обычно пренебрегают.

Исследуемый гальванический элемент. Исследуемый гальванический элемент состоит из индикаторного электрода и электрода сравнения. Индикаторным называют электрод, потенциал которого зависит от концентрации (активности) определяемого иона. Потенциал электрода сравнения должен оставаться постоянным независимо от протекания каких-либо реакций в анализируемом растворе. ЭДС исследуемого элемента выражается как разность между потенциалом электрода сравнения (Е_ср) и потенциалом индикаторного электрода (Е_инд).

Е = Е_ср – Е_инд + Е_д

Е_д – диффузионный потенциал, или потенциал жидкостного сопротивления (в данном случае пренебрежимо мал).

Электрод сравнения. Хлорсеребряный электрод представляет собой серебряную проволоку или пластинку, покрытую слоем AgCl и помещенную в раствор KCl, при подстановке в уравнение Нернста:

Первые два слагаемых  зависят только от температуры:

Т.о. потенциал хлорсеребряного  электрода определяется активностью  хлорид-иона в растворе.

1,2-астбестовая  нить 3-стеклянный корпус 4-насыщенный раствор хлорида калия 5-отверстие для заливки раствора KCl 6- резиновая пробка 7-хлорированная серебряная проволока 8-выводной контакт электрода сравнения

В процессе хранения и эксплуатации электролит может медленно вытекать из электрода (до 3 мл в сутки). В этом случае электролит необходимо доливать по мере истечения.

 

 

Первичный преобразователь

Фторид-селективный  электрод. В качестве ионоселективного электрода был выбран твердый ионоселективный фторидный электрод.

В твердых мембранных электродах ионочувствительный элемент изготавливается из малорастворимого кристаллического вещества с ионным характером проводимости. Перенос заряда в таком кристалле происходит за счет дефектов кристаллической решетки. Вакансии могут заниматься ионом только определенного размера и заряда, что обуславливает высокую селективность кристаллических мембран.