WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Совершенствование и автоматизация подготовки проб к химическому анализу при чрезвычайных ситуациях

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

 

МИРОНОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

 

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОБ К  ХИМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

 

 

05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

 

Москва – 2012


Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии на кафедре «Мониторинг и автоматизированные системы контроля».

Научный руководитель:       доктор технических наук, профессор

Латышенко Константин Павлович

Научный консультант:         доктор технических наук, доцент

Черткова Елена Александровна

Официальные оппоненты:   доктор химических наук, профессор,

заведующий кафедрой

химии АГЗ МЧС РФ

Пушкин Игорь Александрович;

кандидат технических наук, доцент

кафедры АПП МАДИ

Колбасин Александр Маркович

Ведущая организация: ОАО «НПО «Химавтоматика», г. Москва

Защита состоится 26 апреля 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4, аудитория В-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан 23 марта 2012 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.

Учёный секретарь

диссертационного совета

д.т.н., доцент                                                           Мокрова Н.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Совершенствование методов подготовки проб компонентов природной среды к химическому анализу при чрезвычайных ситуациях (ЧС) с автоматизацией данного процесса в химико-аналитической лаборатории является актуальной задачей.

Вопросам совершенствования методов подготовки проб к анализу посвящены работы академиков Ю.А. Золотова и В.Г. Хлопина, Н.С. Гришина, В.А. Пашинина, Б.Ф. Мясоедова, Л.Н. Москвина, Б.Я. Спивакова, В.В. Якшина и др., однако нерешённой остаётся задача проведения пробоподготовки при отсутствии информации об анализируемых компонентах пробы в условиях возникновения ЧС.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009 – 2013 годы)».

Предмет исследования – методы подготовки проб к химическому анализу.

Цель работы. Целью настоящей работы является решение актуальной научно-технической задачи совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения чрезвычайных ситуаций, к химическому анализу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– провести анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу;

– обосновать направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки;

– разработать универсальный алгоритм подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;

– разработать математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;

– установить факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке автоматизированных устройств и выбрать их оптимальные значения;

– разработать опытные образцы автоматизированных устройств подготовки проб (АУПП) к химическому анализу;

– создать методику подготовки проб к анализу на наличие микропримесей опасных химических веществ (ОХВ) с использованием автоматизации методов;

– провести экспериментальную оценку разработанной методики подготовки проб к анализу с использованием опытных образцов АУПП.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы законодательной и прикладной (практической) метрологии, системного анализа, а также методы математического моделирования.

Научная новизна. Научную новизну составляют:

– обоснованные направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки с возможностью их использования в полевых условиях при возникновении ЧС;

–  универсальный алгоритм проведения подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;

– математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;

– установленные факторы, влияющие на процесс пробоподготовки, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и  разработке автоматизированных устройств, выбранные их оптимальные значения;

– методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС.

Практическая значимость. В результате теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию и автоматизации подготовки проб к химическому анализу при возникновении ЧС:

– установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке АУПП, выбраны их оптимальные значения;

– разработаны опытные образцы экстрактора-сепаратора для жидких и твёрдых проб и концентратора-выпаривателя с возможностью выполнения последовательно проводимых операций пробоподготовки в месте возникновения ЧС;

– проведена экспериментальная оценка разработанной методики подготовки проб к анализу на наличие микропримесей ОХВ с использованием опытных образцов АУПП;

? достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабильности и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС. 

С помощью разработанных АУПП возможна отдельная обработка каждой пробы, применение в качестве экстрагентов различных растворителей. Особенностью разработанных АУПП является простота конструкции (лeгкость сборки и разборки, небольшие габариты), небольшое энергопотребление, возможность использования в стационарных и мобильных химико-аналитических лабораториях. Предложенный алгоритм и разработанные АУПП являются инструментом повышения достоверности результатов измерений путeм уменьшения погрешностей при пробоподготовке, увеличения производительности химико-аналитической лаборатории. Разработанные АУПП могут быть также использованы для стандартных методик анализа.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ФГУП «86 ЦКБ» МО РФ при выполнении ОКР «Разработка комплекта устройств подготовки проб» и в учебный процесс при выполнении лабораторных работ.

Апробация и публикации. По теме диссертационной

работы опубликовано девять печатных работ, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК. В результате исследований разработаны опытные образцы АУПП. Данные технические решения защищены патентами РФ на изобретение («Концентратор-выпариватель» № 2275243 и «Экстрактор-сепаратор» № 2275225).

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: V Международная конференция «Экологические системы, приборы и чистые технологии», 2011 г.; конференция ЭЦ МО РФ «Экологические проблемы при эксплуатации, хранении и утилизации В и ВТ», 2007 г.; конференция молодых ученых МГУИЭ, 2011 г.

Структура и объём работы. Диссертационная работа

состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 20 рисунков. Список использованных источников включает 125 наименований. Изложены результаты работы за 2000 – 2011 г.г.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая

значимость результатов работы.

В первой главе проведён анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу.

Рассмотрены направления совершенствования существующих и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки.

Определена проблематика и сформулированы основные задачи, решаемые в ходе выполнения работы.

Во второй главе рассмотрена подготовка проб к химическому анализу на наличие ОХВ при действиях в условиях возникновения ЧС.

Обоснованы направления совершенствования подготовки проб к химическому анализу в условиях возникновения ЧС.

Предложен универсальный алгоритм пробоподготовки, отличающийся от известных возможностью проводить подготовку проб компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, представленный на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1. Универсальный алгоритм подготовки проб ОХВ  к анализу

Определены пути создания автоматизированных устройств подготовки проб к анализу на наличие ОХВ для использования в местах возникновения  ЧС.

Обосновано, что для использования в полевых условиях, целесообразно применение таких автоматизированных устройств, которые основаны на наиболее доступных и часто встречающихся в большинстве методик методах, а именно: жидкостная экстракция, концентрирование и термодесорбция. Метод термодесорбции актуально использовать при разработке приставок к хроматографам с прямым вводом пробы в анализируемый блок. В то же время автоматизированные устройства жидкостной экстракции и концентрирования применимы для реализации представленного алгоритма в полевых условиях в виде последовательно выполняемых операций. На рис. 2. представлена принципиальная схема работы разработанных АУПП для экстракции микропримесей ОХВ из жидких и твёрдых проб.

 


Рис. 2. Принципиальная схема работы АУПП для экстракции

микропримесей ОХВ из жидких и твёрдых проб

Представив концентрацию исходных веществ в экстракте с учётом стадий растворения, непосредственно экстракции и сепарации и пренебрегая начальной концентрацией извлекаемых веществ в экстракте (), получим математическую модель предложенных АУПП в виде:

                                                       (1)

где  – концентрация распределяемого компонента в исходной смеси;  – концентрация распределяемого компонента в экстракте; – коэффициент сепарирования, ; – степень извлечения компонента (степень экстракции), ; – объём пробы; – объём растворителя.

В табл. 1 представлены математические модели разработанных АУПП для экстракции ОХВ из жидких и твердых проб, чувствительность, относительная, абсолютная погрешности и среднеквадратичное отклонение (СКО).

Таблица 1

Наименование модели

Экстрактор-сепаратор для жидких проб (ЖЭС), экстрактор-сепаратор для твердых проб  (ЖЭС ТП)

1

2

Статическая характеристика

Чувствительность,

Относительная погрешность,

Абсолютная погреш-ность,

СКО,

На рис. 3. представлена принципиальная схема работы разработанного АУПП для концентрирования микропримесей ОХВ.

 


Рис. 3. Принципиальная схема работы АУПП для

концентрирования микропримесей ОХВ

Концентрация ОХВ в выпаренном экстракте для дальнейшего исследования физико-химическими методами анализа выражается следующей зависимостью:

                                            (2)      

где – общее количество исходного экстракта;  – количество выпариваемого растворителя.

В табл. 2 представлены математические модели разработанного концентратора-выпаривателя (КВ), чувствительность, относительная, абсолютная погрешности и СКО.

Таблица 2

Наименование модели

Концентратор-выпариватель (КВ)

1

2

Статическая характеристика

Чувствительность,

Относительная погрешность,

Продолжение таблицы 2

1

2

Абсолютная погреш-ность,

СКО,

Из (1) и (2) следует, что статическая характеристика разработанных АУПП является линейной, а чувствительность постоянной на всем диапазоне измерений. На рис. 4. представлен график зависимости концентрации ОХВ в экстракте от концентрации анализируемых компонентов в пробе, аппроксимацией которого является уравнение  , которое качественно согласуется с разработанными математическими моделями, что подтверждает их адекватность.

                                              

1

0,8                                                                                                                       

0,6

0,4

0,2

0

а                                                    б

Рис. 4. График зависимости концентрации ОХВ в экстракте от концентрации анализируемых компонентов в пробе: а – теоретический, б – экспериментальный (концентрирование в 50 раз)

На рис. 5. представлены зависимости S и ? от начальной концентрации определяемых компонентов в пробе.

                      

 

 

 

 а                                                          б

Рис. 5. Зависимости аи б от начальной концентрации определяемых компонентов в пробе

Из анализа математических моделей погрешностей разработанных АУПП следует, что доминирующей является мультипликативная составляющая.

Третья глава посвящена созданию автоматизированных устройств подготовки проб к анализу в химико-аналитической лаборатории последовательно выполняемыми методами жидкостной экстракции и концентрирования.

Установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу с использованием методов математического моделирования, для использования при разработке автоматизированных устройств. Разработаны опытные образцы АУПП. Проведен выбор оптимальных параметров.

В результате проведенных исследований выявлены параметры и условия работы жидкостного экстрактора.

= f( / , N, Ttэ, Dвн/Dшн, pH) > optimum,      (3)

гдеN –  число оборотов мешалки; T– шаг навивки шнека;tэ– время экстракции; Dвн/Dшн– отношение внутреннего диаметра экстракционного стакана к диаметру шнека.

На рис. 6. представлены графики зависимостей степени извлечения от числа оборотов шнека в экстракторе-сепараторе для жидких проб и времени экстракции.

 


100                                                                       100

            60                                                                         60

            40                                                                         40

                                         

 а                                                    б

Рис. 6. Графики зависимостей степени извлечения: а – от числа оборотов шнека и б – от времени экстракции

В  результате проведённых исследований приняты следующие параметры аппарата: шаг навивки шнекаT = 16 мм, Dвн/Dшн = =1,3, N – 1200 об/мин, время экстракции 5 минут.

В четвёртой главе проведена экспериментальная оценка АУПП, разработанных в результате проведенных исследований.

На рис. 7 представлен внешний вид автоматизированных устройств подготовки проб к анализу АУПП.

  

            а                                  б                                      в

Рис. 7. Внешний вид автоматизированных устройств подготовки проб к анализу АУПП:  а – жидкостной экстрактор-сепаратор;

б – жидкостной экстрактор-сепаратор для твердых проб;

в – концентратор-выпариватель

Основные технические характеристики АУПП приведены в табл. 3.

Таблица 3

Наименование характеристики*

ЖЭС

ЖЭС ТП

КВ

Габаритные размеры, не более, мм

270х240х370

310х280х350

300х210х340

Потребляемая мощность, не более, Вт

50

50

150 – 250

Напряжение питания, В

220

220

220

Время экстрагирования (выпаривания) рекомендуемое, использование таймера, мин

5

5

3 – 5

Температура экстрагирования (выпаривания), °С

20 – 24

20 – 24

60

Объем отбираемого экстракта (концентрата), мл

10 – 200

10 – 200

0,1 – 0,5

Объем обрабатываемых проб (экстрактов)

5 – 300 мл

10 – 200 мг

5 – 50 мл

Коэффициент извлечения R (концентрирования I)

до 98 %

до 98 %

50 – 500 раз

Число оборотов шнека, об/мин

0 – 1200

-

-

Число оборотов экстракционного стакана в режиме сепарации, об/мин

до 250

 до 250

-

* в скобках приведено наименование характеристики для концентратора-выпаривателя   

Результаты сравнительной оценки разработанных АУПП с существующими устройствами и ручным способом представлены в табл. 4.

Таблица 4

Наименование характеристики

Ручной способ

Существующие устройства

Разработанные АУПП

Коэффициент

извлечения R, %

до 70

до 90

до 99

Время пробоподготовки t, мин

10 – 15

5 – 7

3 – 5

Погрешность, %

до 35

до 5

до 2

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, к химическому анализу.

2. Обоснованы направления создания перспективных АУПП.

3. Разработан универсальный алгоритм пробоподготовки, применимый при возникновении ЧС в условиях отсутствия информации о составе анализируемых компонентов пробы.

4. Разработаны математические модели АУПП и их погрешностей.

5. Установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, для использования при разработке АУПП и выбраны их оптимальные значения.

6. Разработана методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, проведена её экспериментальная оценка.

7. В результате совершенствования и автоматизации пробоподготовки достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабилизации и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС. 

8. В ходе проведённых исследований разработаны опытные образцы АУПП, а используемые в них технические решения защищены патентами РФ на изобретение: жидкостной экстрактор-сепаратор (патент РФ № 2275225), концентратор-выпариватель (патент РФ № 2275243).

9. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в ФГУП «86 ЦКБ» МО РФ при выполнении ОКР «Разработка комплекта устройств подготовки проб», «Разработка машины химической разведки» и в учебном процессе.

Список работ, в которых отражены основные результаты:

1. Универсальный алгоритм проведения подготовки проб компонентов природной среды  для определения  опасных химических веществ /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Экологические системы и приборы, №6, 2011, – с. 22 – 26.

2. Автоматизация подготовки проб компонентов природной среды. /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Экологические системы и приборы, №6, 2011, – с. 26 – 30.

3. Подготовка проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ. /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Мир измерений, №3, 2012, – с. 17 – 23.

4. Патент РФ на изобретение № 2275243 «Концентратор-выпариватель» / С.Н.Гришин, Д.В.Сорвин, А.А.Миронов, В.А.Пашинин/.

5. Патент РФ на изобретение № 2275225 «Экстрактор-сепаратор»           / С.Н.Гришин, Д.В.Сорвин, А.А.Миронов, В.А.Пашинин/.

6. Универсальный алгоритм и автоматизация проведения подготовки проб компонентов природной среды  для определения  опасных химических веществ /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Сб. трудов V  Международная конференция «Экологические системы, приборы и чистые технологии» – М.: ЭСиП, 2011, – с. 45.

7. Совершенствование и автоматизация подготовки проб к химическому анализу при возникновении чрезвычайных ситуаций  /А.А.Миронов/ Сборник трудов научной конференции студентов и молодых учёных МГУИЭ – М.: МГУИЭ, 2011,  – с. 102 – 108.

8. Проведение подготовки проб компонентов природной среды  для определения  опасных химических веществ /С.В.Новиков, А.А.Миронов/ Сборник трудов научной конференции «Экологические проблемы при эксплуатации, хранении и утилизации В и ВТ» – М.: ЭЦ МО РФ, 2007, – с. 87.

9. Методические указания к лабораторной работе «Автономная машина подготовки проб АМПП» / В.А.Пашинин, А.А.Миронов и др./– М.: ВУ РХБЗ, 2000, – 89 с.

Форм.бум. 60х84 1/16. Объём 0,93 усл. п. л. Уч.-изд. л. 1,0.

Печать – ризограф. Тираж 100 экз.

МГУИЭ, издательский центр

105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.