Отбор и подготовка проб к анализу кратко

Обновлено: 08.07.2024

ГЛАВА 4
ОТБОР И ПОДГОТОВКА ПРОБЫ К АНАЛИЗУ
Под химическим анализом в аналитической хнмнн понимают комплекс последовательных операций, направленных на полу¬чение достоверной информации о качественном и количествен¬ном составе анализируемого объекта. К основным стадиям анализа относят: 1) определение цели анализа; 2) отбор пред¬ставительной пробы анализируемого материала- 3) оценку качественного состава пробы; 4) выбор метода анализа-5) обработку пробы с целью ее перевода в удобную для определения форму; 6) измерение аналитического сигнала,
63

связанного с концентрацией определяемого компонента; 7) вычисление н обработку результатов определения. Задача настоящей главы - дать представление о методах отбора и подготовки пробы к анализу.
Отбору н подготовке пробы часто уделяют недостаточное внимание прн проведении анализа реальных веществ. Однако общий успех анализа в большей степени зависит от того, насколько правильно выполнены его наиболее сложные н трудоемкие предварительные стадии. К тому же, в отличие от аналитических измерений, операции отбора н подготовки пробы не всегда поддаются теоретическому описанию и хуже обеспечены технически, а число факторов, влияющих на их выбор н оптимизацию, гораздо больше.
4.1. ОТБОР ПРОБЫ
При отборе пробы необходимо стремиться к тому, чтобы ее химический состав правильно отражал состав всего анализи¬руемого объекта. Если это условие не соблюдено и проба не характеризует объект как целое, то весь анализ, даже самый точный, теряет смысл.
Задача получения представительной пробы особенно слож¬на прн анализе твердых веществ. Как правило, ее трудно решить без помощи специалистов по изучаемым веществам. Процесс отбора проб неоднородных материалов обычно состо¬ит из трех стадий: 1) составления большой (генеральной) пробы- 2) уменьшения первичной пробы до размера, прдходя-щего для анализа в лабораторных условиях; 3) приготовления лабораторной пробы. Лабораторную пробу делят затем на отдельные аналитические пробы, пригодные непосредственно для анализа, с учетом необходимого числа повторных опре¬делений Необходимый размер пробы зависит от состава объекта числа определяемых компонентов, степени неодно-родности материала, размера частиц, а также решаемой ана¬литической задачи и предполагаемого метода определения. Следует учитывать и требования к точности анализа, так как вклад операции пробоотбора в общую погрешность анали¬за, связанный с погрешностью в различии состава пробы и целого, должен быть минимальным.
Способ отбора твердых проб сильно различается в зависи¬мости от типа, формы и общего количества анализируемого материала, равномерности распределения в нем определяемых компонентов. Он может включать такие операции, как дроб¬ление (горные породы, минералы), размалывание руды), измельчение (почвы), распиливание н высверливание (метал¬лы сплавы), просеивание, смешение, разделение на фракции и др. Однако независимо от способа пробоотбора важно,
64 чтобы при обработке не происходило возможных изменений в составе вещества. Перед проведением анализа пробу необхо¬димо высушить (полностью или до некоторого постоянного уровня) или определить в ней содержание воды. В противном случае нельзя будет точно рассчитать в ней содержание компонентов.
Для газов и жидкостей неоднородностью состава практи¬чески всегда можно пренебречь. Поэтому операции отбора пробы для них обычно проще, а ее размер — меньше. Однако если жидкость негомогенна, например содержит взвешенные твердые частицы (природные воды), то требуется ее интен¬сивно перемешать нлн отобрать несколько отдельных порций в разных местах (на разной глубине). Прн анализе промыш¬ленных газов или растворов желательно отбирать пробы непосредственно из технологических потоков, непрерывно или периодически. Некоторые современные аналитические методы дают возможность проводить пробоотбор и анализ автомати¬чески в режиме реального времени и осуществлять таким образом контроль н управление технологическими процессами.
Если анализ нельзя провести сразу же после отбора проб (например, в полевых условиях), то важным становится их правильное хранение. Хранить и транспортировать пробы необходимо с учетом определенных мер предосторожности, направленных на то, чтобы состав вещества не изменился.
4.2. ПОДГОТОВКА ПРОБЫ
Ситуация, когда, отобрав пробу, можно непосредственно при¬ступить к аналитическим измерениям, является крайне редкой. Определению предшествуют перевод пробы в удобную для анализа форму (агрегатное состояние), ряд предварительных химических операций (например, маскирование), выделение и концентрирование определяемых компонентов, их превра¬щение в определяемую форму с более выраженными аналити¬ческими свойствами, создание благоприятных условий для измерения аналитического свойства. Все эти операции объеди¬няют одним термином — подготовка пробы.
4.2.1. Разложение пробы
65
Прн вскрытии пробы определяемые компоненты чаще всего стремятся перевести в раствор, поскольку определение всеми без исключения химическими и многими физическими мето¬дами ведется в растворах (как правило, водных). Для опера¬ций разложения н растворения, особенно трудноразлагаемых и труднорастворимых веществ, не существует универсальных рецептов. Выбор метода и реагента определяется прежде
5-1280

всего составом и свойствами анализируемого объекта. Сле¬дует учитывать также возможности потерь определяемых компонентов, например, из-за улетучивания в виде легколе¬тучих соединений (гидриды, оксиды, галогениды), внесения загрязнений реагентами, необходимыми для разложения, и мешающего влияния вводимых посторонних веществ на последующих стадиях анализа.
Неорганические вещества редко удается перевести в рас¬твор в обычных условиях, растворяя их в воде илн в водных растворах подходящих реагентов. Поэтому основными мето¬дами разложения неорганических материалов (металлы, сплавы, минералы, руды, стекла, керамика) являются такие сильнодействующие методы, как кислотное разложение, сплавление илн спекание. Кислотное разложение ведут, как правило, при высокой температуре, обрабатывая пробу мине¬ральными кислотами (HCI, HN03, H2S04, HCI04, HF, Н3Р04) или их водными растворами. Часто используют смеси кислот без окислительного действия и кислот-окислителей илн кислот, аниои которых способен выступать в качестве комплексо-образующего лиганда.
Если проба не растворяется полностью в кислоте, ее под¬вергают сплавлению при нагревании в тигле нз специального материала (платина, цирконий, никель, фарфор). По охлаж¬дении расплав растворяют в воде или разлагают необходимой кислотой (операция выщелачивания). При щелочном сплав¬лении в качестве плавней применяют карбонаты, гидрокснды, бораты щелочных металлов и их смеси, а также обладающие окислительным действием пероксиды. Реже используют кис¬лые расплавы, например пиросульфат и гндросульфат калия, оксид бора. Если твердый реагент имеет очень высокую температуру плавления (например, оксид или карбонат кальция), то проводят не сплавление, а спекание. Разло¬жение этим методом ведут обычно при более высоких темпе¬ратурах (до 1000 °С), при которых реакции, протекающие в спекаемой смеси, происходят более интенсивно.
Органические соединения обычно разлагают (минерали¬зуют) при помощи окислительных методов: сухим озолением, мокрым озолением или сплавлением. При сухом озолении анализируемое вещество нагревают на воздухе, в токе кисло¬рода (например, в стеклянной илн кварцевой трубке) нли в закрытом сосуде (кислородная бомба). По мере сгорания пробы ряд интересующих элементов (углерод, водород, азот, кислород, галогены, сера) превращается в газообразные продукты. Продукты сжигания поглощают подходящим погло¬тителем или растворителем и затем анализируют тем нли иным методом (часто простым .взвешиванием), в том числе в автоматическом режиме, используя газоанализаторы.
В твердом остатке после его растворения определяют неле¬тучие компоненты.
Для мокрого окисления применяют горячие растворы силь¬ных окислителей: концентрированной H2S04, смеси концент¬рированных H2S04 или НС104 с HN03. Как и при сухом озолении на воздухе, в этом случае необходимо считаться с потерями определяемых элементов в форме летучих соеди¬нений. Разложение органических веществ сплавлением проводят в расплаве пероксида натрия. При этом большин¬ство элементов количественно превращается в натриевые соли соответствующих оксоанионов (карбонат, сульфат, фос¬фат и т. п.).
Иногда для перевода определяемых элементов в удобную для анализа форму пробу подвергают восстановительному разложению, нагревая с сильным восстановителем — метал¬лическим натрием или калием. Этот метод особенно удобен при анализе органических соединений, содержащих галогены.
4.2.2. Методы разделения и концентрирования
Составной частью стадии подготовки пробы является разделе¬ние и концентрирование ее компонентов. Эти операции имеют целью предотвратить мешающее действие посторонних веществ и повысить концентрацию определяемого компо¬нента. Их необходимость обусловлена двумя проблемами.
Прежде всего многим аналитическим методам присущ общий недостаток — невысокая избирательность определе¬ния. Этот недостаток связан с тем, что химические и физиче¬ские свойства веществ, на которых основаны аналитические методы, редко бывают специфичными. Поэтому присутствие посторонних веществ не только сказывается на правильности, чувствительности и воспроизводимости определения, но и может привести к ситуации, когда определение становится невозможным. В силу этого перед определением данного компонента необходимо устранить мешающее влияние осталь¬ных компонентов пробы. В принципе здесь возможны два пути. Можно изменить состав анализируемого раствора химически таким образом, что мешающий компонент стано¬вится неактивным. Типичными примерами служат изменение степени окисления этого компонента или введение комплексо-образующего реагента, избирательно взаимодействующего с мешающим веществом и уменьшающего его концентрацию до уровня, при котором мешающим влиянием можно пре¬небречь. В последнем случае говорят о маскировании, кото¬рое можно также понимать как внутреннее разделение. В по¬следующих главах будут приведены многочисленные примеры использования этого приема в анализе.

Другой прием дает возможность устранить мешающее влияние посторонних веществ путем физического отделения этих веществ от определяемого нлн избирательного выделения определяемого вещества из анализируемой смеси.
Еще одна проблема, с которой часто встречаются хнмнкн-аналнтнкн в своей практике, такова: концентрация определяе¬мого компонента ниже предела чувствительности данного метода. В этом случае необязательно обращаться к другому, более чувствительному методу. Достаточно выделить н скон¬центрировать данный компонент тем нлн иным методом. Раз¬личают абсолютное н относительное концентрирование (рнс. 4.1). Абсолютное концентрирование подразумевает увеличение концентрации всех мнкрокомпонентов пробы, например прн нх переводе нз большого объема раствора в малый. Однако чаще требуется провести относительное концентрирование с отделением определяемого мнкрокомпо-нента от мешающих макрокомпонентов (нлн удалением по¬следних). Таким образом, методы концентрирования непо¬средственно смыкаются с методами разделения.
Все сказанное в равной степени относится н к качествен¬ному анализу, когда для обнаружения н идентификации определенного компонента в анализируемой пробе практи¬чески всегда приходится предварительно выделять его либо отделять компоненты, мешающие обнаружению. Если чувст¬вительность аналитической реакции оказывается недостаточ¬ной, т. е. концентрация искомого вещества ниже открываемого минимума, необходимо провести предварительное концент¬рирование.
Применяемые в аналитической хнмнн методы разделения и концентрирования веществ весьма разнообразны и основы¬ваются на различных принципах и различных свойствах веществ (размер частиц, летучесть, растворимость, скорость движения в электрическом поле, адсорбционные н ионообмен¬ные свойства, комплексообразующая способность). Однако общим для большинства методов является избирательное распределение компонентов анализируемой смеси между двумз фазами нлн избирательный перенос вещества нз одной фазы в другую.
В общем случае равновесное распределение компонента (компонент X) в гетерогенной двухфазной системе характе¬ризуется равенством его химических потенциалов в обеих фазах (фазы 1 и 2):
цх(1)=цх(2). (4.1)
Условие гетерогенного равновесия вещества X между двумя конденсированными фазами можно выразить как
ц°х(1) + RT In ах(1) = ц°х(2) +RT In ах(2), (4.2)
где ах(1) и ах(2) — активности X в фазах 1 и 2; цх(1) и цх(2) — стандартные химические потенциалы X в фазах 1 и 2.
Прн равновесиях типа жидкость — газ и твердое тело — газ справедливо равенство
ц°х(1) +RT In ах(1) = ц°х(2) +RT In fx(2), (*-3)
где fx(2) —парциальная фугитивность (летучесть) данного компо¬нента в газовой фазе.
Перенос компонента X нз фазы 1 в фазу 2, условием кото¬рого является неравенство
цх(1)>цх(2), (4.4)
будет наблюдаться до тех пор, пока химические потенциалы не выравняются, т. е. не установится соотношение (4.1). Самопроизвольный процесс выравнивания химических потен¬циалов веществ происходит вследствие стремления к мини¬муму свободной энергии всей гетерогенной системы.
На основании уравнения (4.2) распределение веществ между двумя фазами можно охарактеризовать величиной
tfD=ax(2)/ax(l), (4.5)

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

5. Отбор пробы и подготовка её к анализу

Чрезвычайно важный этап химического анализа. Общий успех анализа в большей степени зависит от того, насколько правильно выполнены его наиболее сложные и трудоёмкие предварительные стадии.

Отбор пробы:

При отборе пробы необходимо стремиться к тому, чтобы её химический состав правильно отражал состав всего анализируемого объекта. Если это условие не соблюдено, и проба не характеризует объект как целое, то весь анализ, даже самый точный, теряет смысл. Задача получения представительной пробы особенно сложна при анализе твердых веществ.

Средняя проба – это небольшая по сравнению со всей массой анализируемого объекта его часть, средний состав и свойства которой идентичны во всех отношениях среднему составу и свойствам анализируемого объекта.

Первичная (генеральная) проба (1-50 кг) à лабораторная проба (25 г – 1 кг) à анализируемая проба (1 г – 10 г) à навеска или аликвота (10 мг – 1 г).

Способ отбора проб и их величина определяются физическими и химическими свойствами объекта, его агрегатным состоянием, размером частиц, с которого начинается неоднородность, выбранным методом и методикой анализа. При этом важны допустимая точность оценки содержания определяемого компонента, возможность изменения состава объекта и содержания определяемого компонента во времени.

Для газов и жидкостей неоднородностью состава практически всегда можно пренебречь. Поэтому операции отбора пробы для них обычно проще, а её размер — меньше. Однако если жидкость негомогенна, например, содержит взвешенные твердые частицы (природные воды), то требуется ее интенсивно перемешать или отобрать несколько отдельных порций в разных местах (на разной глубине). При анализе промышленных газов или растворов желательно отбирать пробы непосредственно из технологических потоков, непрерывно или периодически. Некоторые современные аналитические методы дают возможность проводить пробоотбор и анализ автоматически в режиме реального времени и осуществлять таким образом контроль и управление технологическими процессами.

Если анализ нельзя провести сразу же после отбора проб (например, в полевых условиях), то важным становится их правильное хранение. Хранить и транспортировать пробы необходимо с учетом определённых мер предосторожности, направленных на то, чтобы состав вещества не изменился.

Отбор твёрдой пробы:

Отбор первичной пробы à гомогенизация и усреднение первичной пробы à отбор лабораторной пробы à гомогенизация и усреднение лабораторной пробы à отбор анализируемой пробы.

Формула Ричарда-Чечотта: Q = k*d 2 , где Q – масса представительной пробы (кг), d – наибольший диаметр частиц (мм), k – эмпирический коэффициент (k = 0.02 … 1). Отбор пробы слитков и сплавов металлов:

Однородность этих материалов относительна. Процесс расслаивания в слитках и сплавах металлов называется ликвацией. С учётом возможной неоднородности объекта применяют дробление, распиливание и высверливание.

Способы усреднения проб твёрдых объектов:

- метод конуса и кольца;

- использование механических делителей (например, делитель Джонсона).

Подготовка пробы к анализу:

Основными пробоподготовительными операциями являются:

- устранение влияния мешающих компонентов (маскирование, разделение); - концентрирование

Высушивание проводят с целью полного удаления воды, высушивают до постоянного содержания воды, либо определяют содержание воды в пробе. Вода может быть химически несвязанная

(адсорбированния, сорбированная, окклюдированная) либо химически связанная (кристаллизационная или конституционная).

Выбор способа разложения определяют: химические свойства анализируемого образца, химические свойства определяемого компонента, задача анализа, метод анализа. Термическое разложение:

а). Пиролиз: проводят в среде инертного газа или в вакууме при 300 - 700°С (органические соединения, каучук) или при 1000 - 1500°С (неорганические соединения, стёкла, Al₂O₃, оксиды РЗЭ);

б). Сухое озоление: проводят в атмосфере О₂, СО₂, на воздухе при 599 - 600°С, часто в присутствии катализаторов (Pt, Ni, CuO, V₂O₅). Сухому озолению подвергают органические соединения при проведении элементного анализа (CO₂, N₂, H₂O), а также неорганические соединения для определения S

Автоклавное разложение: подвергают Ta, Nb, W руды в смеси HCl, H₂SO₄, HF. Преимущества: ускоряется процесс разложения, уменьшается количество реагентов, исключаются потери летучих соединений.

Спекание: взаимодействие веществ при повышенной температуре (300°С) в твёрдой фазе в присутствии 2-4-кратного избытка реагента. Используют главным образом для разложения силикатов, сульфидов, оксидов металлов.

Разложение под действием микроволнового излучения (впервые предложено в 1985 г.):

преимущества – высокая скорость протекания физико-химических процессов, что сокращает время подготовки проб в 10 – 100 раз; возможность контроля и управления; совмещение во времени и пространстве нескольких аналитических операций; полнота разложения, значительное сокращение реакционных смесей.

Задания:

1. Какую минимальную массу представительной пробы руды с наибольшей крупностью частиц 25 мм необходимо отобрать для анализа? Руда содержит мелковкраплённые минералы (k = 0.2).

2. Какой станет минимальная масса представительной пробы руды из предыдущего задания, если провести дробление отобранной пробы до крупности 2 мм? Во сколько раз необходимо сократить измельченную пробу?

3. Будет ли являться представительной проба воды, отобранная для анализа из реки:

а) из поверхностного слоя; б) из придонного слоя; в) с середины глубины реки

4. Предложите метод маскирования хрома для селективного гравиметрического определения железа в форме Fe₂O₃

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

ОТБОР И ПОДГОТОВКА ПРОБ К АНАЛИЗУ

1. Общие требования к отбору проб

В большинстве случаев стадия отбора пробы и подготовка ее к анализу определяет надежность и качество получаемых результатов. Погрешность при отборе и подготовке пробы к анализу часто определяет общую ошибку анализа и, в случае неправильно выполненных операций, делает бессмысленным использование высокоточных методов. Приемы и порядок отбора пробы и ее подготовка к анализу настолько важны, что обычно предписываются Государственным стандартом.

Для проведения анализа, как правило, берут среднюю пробу . Это небольшая часть анализируемого объекта, средний состав и свойства которой должны быть идентичны во всех отношениях среднему составу и свойствам исследуемого объекта .

Различают генеральную, лабораторную и анализируемую пробы. Генеральная (первичная, большая или грубая) проба отбирается непосредственно из анализируемого объекта. Она достаточно большая (от 1 до 50 кг), для некоторых объектов (например, для руды) составляет 0,5 5 т.

Из генеральной пробы путем ее сокращения отбирают лабораторную пробу (от 25 г до 1 кг). Одну часть лабораторной пробы используют для предварительных исследований, другую сохраняют для возможных в будущем арбитражных анализов, третью используют непосредственно для анализа. В случае необходимости пробу измельчают и усредняют.

Для анализируемой пробы проводят несколько определений компонента: из отдельных навесок (10 1000 мг) если анализируемый объект твердое вещество, или аликвот если анализируют жидкость или газ. Анализируемая проба должна быть представительной то есть должна отражать среднее содержание определяемого компонента во всем исследуемом объекте. Чем больше материала отобрано для пробы, тем она представительнее. Но с очень большой пробой трудно работать, то увеличивает время анализа и расходы на него.

Способы отбора пробы и ее величина прежде всего определяются физическими и химическими свойствами анализируемого объекта. При отборе пробы необходимо учитывать:

1) агрегатное состояние анализируемого объекта, так как способы отбора пробы различаются для газов, жидкостей и твердых тел;

2) неоднородность анализируемого материала и размер частиц, с которых начинается неоднородность. Чем мельче размер частиц, чем более однородным является вещество, тем проще отобрать пробу;

3) требуемую точность оценки содержания компонента во всей массе анализируемого объекта. Например, анализ биологически активного вещества в лекарстве требует большей точности, чем анализ руды для оценки рентабельности месторождения.

Обязательно при отборе пробы необходимо учитывать возможность изменения состава объекта и содержания определяемого компонента во времени (состав воды в реке, состав дымовых выбросов и т.п.)

2. Отбор проб газов

Степень однородности газов и их смесей велика, поэтому генеральная проба может быть небольшой. Пробу газа отбирают, измеряя его объем при помощи вакуумной мерной колбы или бюретки с запорной жидкостью. Часто газ конденсируют в ловушках разного типа при низких температурах. Различаются правила отбора пробы газа из замкнутой емкости и из потока. В замкнутой емкости (цех предприятия, помещение лаборатории и т.п.) пробу отбирают в разных точках, в зависимости от задачи объемы газа смешивают или анализируют по отдельности. При отборе пробы газа из потока используют метод продольных струй или метод поперечных сечений . Метод продольных струй применяют, когда состав газа вдоль потока не меняется. В этом случае поток делят на несколько струй вдоль потока и пробы газа отбирают в струях через одну. Если состав газа вдоль потока меняется, то пробы берут на определенных расстояниях вдоль потока. Так, при определении токсичных газов на примагистальных территориях, пробы воздуха отбирают на разном расстоянии от магистрали. Чтобы учесть изменение состава газовой смеси во времени, пробы отбирают в разное время и, в зависимости от поставленной задачи, пробы усредняют, или анализируют отдельно.

3. Отбор проб жидкостей

Способы отбора гомогенных и гетерогенных жидкостей различны. Гомогенные жидкости отличаются высокой степенью однородности, поэтому отбор проб таких жидкостей достаточно прост. Пробу отбирают с помощью пипеток, бюреток и мерных колб. Отбор пробы из большой емкости проводят после тщательного перемешивания. если по какой-то причине пробу нельзя хорошо перемешать (например, воду в реке), то отбор проводят на разной глубине и в разных местах, затем анализируют, в зависимости от поставленной задачи, отдельно или после смешивания.

Отбор гомогенной жидкости из потока проводят через определенные интервалы времени и в разных местах. Для этого используют специальные приспособления батометры , представляющие собой цилиндрический сосуд вместимостью 1 3 л, закрывающийся сверху и снизу крышками. После погружения сосуда на требуемую глубину, крышки сосуда закрывают, сосуд поднимают на поверхность. Место и время отбора пробы согласовывают, исходя из поставленных задач. Например, чтобы оценить степень загрязнения водоема сточными водами предприятия, необходимо отбирать пробу не только самих стоков, но и воду водоема выше и ниже места сброса стоков. ГоСТ регламентирует правила отбора проб из природных водоемов.

Пробы гетерогенных жидкостей отбирают не только по объему, но и по массе. В одних случаях пробу гомогенизируют, в других дожидаются полного расслоения жидкостей. Гомогенизируют пробу путем интенсивного перемешивания, вибрацией, ультразвуком и т.п. Если гомогенизировать жидкость невозможно, то после расслоения жидкости пробу отбирают из каждой фазы, на различной глубине.

Размер генеральной пробы жидкости не превышает нескольких литров или килограммов.

4. Отбор пробы твердых веществ

Зависимость массы представительной пробы от размера неоднородных частиц приведена в таблице 1.

Приступая к изучению данной темы, Вам необходимо восстановить в памяти (или восполнить) знания из прошлых периодов обучения:

- из курса средней школы: значение понятий атом, молекула, химический элемент, простые и сложные вещества, органические соединения, углеводороды.

Атмосфера Земли (1.1) - область пространства вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое.

Постоянные компоненты (1.13.) - основные составляющие воздуха, концентрация которых практически не изменяется.

Переменные компоненты (1.14.) – составляющие воздуха, состав которых изменяется в зависимости от районирования, от реакционной способности.

Контроль загрязнений атмосферы (7.1.) - часть общей технологии предотвращения загрязнений.

Структура темы

Отбор проб и подготовка их к анализу
Методы анализа газовых смесей

Гравиметрический и газогравиметрический метод

Акустический и фотоакустический метод

Диффузионный и термохимический метод

Манометрия и катарометрия

ВНИМАНИЕ. Анализ загрязнений воздуха относится к наиболее трудным задачам аналитической химии, поскольку в одной пробе одновременно могут находиться сотни токсичных примесей органических и неорганических соединений различных классов и иногда на уровне следовых количеств или микропримесей, т.е. в интервале 10 -4 -10 -7 % и ниже. При этом воздух представляет собой неустойчивую систему с постоянно изменяющимся составом. Этому способствуют наличие влаги, кислорода, фотохимические реакции, изменение метеорологических условий.

Для анализа загрязнений воздуха наиболее часто используют метод газовой хроматографии, жидкостной хроматографии высокого давления, атомно-адсорбционную спектроскопию, полярографию, колориметрию и потенциометрию с ионоселективными электродами (без учета таких дорогостоящих методов анализа примесей, как хромато-масс-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс и др).

Отбор проб и подготовка их к анализу

Самый тщательный и квалификационный химический анализ, проведенный на дорогостоящем физико-химическом оборудовании, приведет к фактически бессмысленным данным, если взятый образец не является типичным представителем анализируемого материала.

Для получения правильных результатов необходимо подвергнуть анализу среднюю пробу(8.1) - небольшое количество анализируемого материала, химический состав которого соответствует среднему химическому составу всей партии материала. Для отбора проб разработаны соответствующие ГОСТы.

Средняя проба(8.1) - небольшое количество анализируемого материала, химический состав которого соответствует среднему химическому составу всей партии материала

ЗАПОМНИТЕ. Для газов среднюю пробу отбирают с помощью газоотборных трубок из трубопровода или аппарата. Кроме этого для отбора проб используют газовые пипетки, медицинские шприцы, снабженные кранами пластиковые мешки или сосуды емкостью 1-10 л из нержавеющей стали с полированной внутренней поверхностью. Металлические сосуды часто предварительно вакуумируют. И тогда для забора пробы просто открывают кран вакуумированного сосуда. Но иногда готовить пробу удобнее, если воздух находится под избыточном давлением, для чего его накачивают специальными насосами.

ВНИМАНИЕ. Различают несколько видов проб:

- средняя (8.1) - отбирается за данный промежуток времени;

Средняя проба (8.1) - отбирается за данный промежуток времени

- периодическая (8.2) - отбирается через определенные промежутки времени;

Периодическая проба (8.2) - отбирается через определенные промежутки времени

- разовая (8.3) - однократно отобранная проба;

Разовая проба (8.3) - однократно отобранная проба

- верхняя (8.4) - отобранная из верхней части аппарата;

Верхняя проба (8.4) - отобранная из верхней части аппарата

- центральная (8.5) - отобранная из центральной части аппарата;

Центральная проба (8.5) - отобранная из центральной части аппарата

- нижняя (8.6) - отобранная на уровне 1/10 высоты аппарата;

Нижняя проба (8.6) - отобранная на уровне 1/10 высоты аппарата

- сложная (8.7) - смесь нескольких проб, взятых в разное время из одного и того же аппарата или разных аппаратов в одно и то же время.

Сложная проба (8.7) - смесь нескольких проб, взятых в разное время из одного и того же аппарата или разных аппаратов в одно и то же время.

Лекция № 8. Методы анализа воздуха

Ключевые слова и понятия

8.1. Средняя проба

8.2. Периодическая проба

8.3. Разовая проба

8.4. Центральная роба

8.5 Верхняя проба

8.6. Нижняя проба

8.7. Сложная проба

Постоянные компоненты (1.13.) - основные составляющие воздуха, концентрация которых практически не изменяется.

Контроль загрязнений атмосферы (7.1.) - часть общей технологии предотвращения загрязнений.

Структура темы

Отбор проб и подготовка их к анализу
Методы анализа газовых смесей

Гравиметрический и газогравиметрический метод

Акустический и фотоакустический метод

Диффузионный и термохимический метод

Манометрия и катарометрия

Отбор проб и подготовка их к анализу

ВНИМАНИЕ. Различают несколько видов проб:

- средняя (8.1) - отбирается за данный промежуток времени;

Средняя проба (8.1) - отбирается за данный промежуток времени

- периодическая (8.2) - отбирается через определенные промежутки времени;

Периодическая проба (8.2) - отбирается через определенные промежутки времени

- разовая (8.3) - однократно отобранная проба;

Разовая проба (8.3) - однократно отобранная проба

- верхняя (8.4) - отобранная из верхней части аппарата;

Верхняя проба (8.4) - отобранная из верхней части аппарата

- центральная (8.5) - отобранная из центральной части аппарата;

Центральная проба (8.5) - отобранная из центральной части аппарата

- нижняя (8.6) - отобранная на уровне 1/10 высоты аппарата;

Нижняя проба (8.6) - отобранная на уровне 1/10 высоты аппарата

При этом предварительная подготовка пробы, включающая операции разделения и концентрирования определяемых компонентов, обеспечивает оптимальное измерение аналитического сигнала как функции концентрации или содержания. Следует заметить, что применение таких комбинированных методов часто позволяет получать необходимый результат, отвечающий всем метрологическим требованиям, более быстро и с меньшими материальными затратами, чем при использовании уникального и весьма дорогого оборудования (в рамках первого направления).

Задачами подготовки проб к анализу в лаборатории (пробоподготовки), как правило, являются: гомогенизация (достижение однородности пробы), обогащение пробы (ее концентрирование), удаление мешающих примесей (повышение селективности будущего анализа) и др.
Гомогенизацияпробы особенно важна для твердых (сыпучих) образцов проб и реже жидких. Она обеспечивает представительность анализа (воспроизводимость повторяемых результатов) и во многом технически облегчает количественный анализ (см. 1.1.5).

Подготовка к анализу биологических образцов и пищевых продуктов также включает в себя гомогенизацию [28, 29]. Обычно ее проводят в миксерах с вращающимися ножами. Однако они являются главными источниками загрязнения биопроб, поскольку сильно истираются в процессе нагрева при работе. Поэтому рекомендуется применять высокоскоростные миксеры с охлаждением. Описан интересный метод подготовки проб биологических тканей путем их охлаждения жидким азотом до хрупкого состояния с резким встряхиванием или размалыванием в порошок.

Для изменения поведения отдельных компонентов проб в процессах разделения рекомендуются различные способы. Можно, например, изменить растворимость вещества, что сказывается на его поведении при извлечении из жидких и твердых проб. В большинстве случаев физическое, физико-химическое и химическое преобразование (модификация) определяемых соединении базируется на изменении их полярности, молекулярной массы, размеров молекул или их формы. Так, полярность молекул изменяют путем превращения их в менее полярные производные, что повышает летучесть соединении. В других случаях вводят хромофорные группы (ответственные за окраску) или электрофильные группировки для последующего определения методами спектрофотометрии или вольтам-перометрии [31].

В принципе химическую модификацию определяемых соединений можно осуществлять на различных стадиях:

• до выделения компонентов из смеси;
• в процессе выделения (например, непосредственно в хроматографической колонке);
• после выделения вещества из матрицы.

Каждый из перечисленных вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Успех модификации во многом зависит от конструкции реакторов: трубчатых, капиллярных, слоевых и др. Обычно применяют трубчатые реакторы из кварцевого стекла и реакторы с неподвижным слоем реагента [22].

Типичное устройство для химической модификации следовых компонентов после их выделения описано в работе [32]. В этом устройстве пестициды на основе N-метилкарбаматов гидролизуют до метиламинов раствором 1идроксида натрия в реакторе, представляющем собой нагретую до 100 °С стеклянную спираль длиной 3 м. При реакции метиламинов с о-фталевым альдегидом и 2-метилмеркаптоэтанолом образуются флуоресцирующие производные, которые регистрируют соответствующими детекторами.

Если речь идет о функциональном анализе (определении вещества по наличию в его структуре специфических функциональных групп) либо об определении различных состояний и форм элементов, то операции пробоподготовки не должны изменять исходные искомые компоненты. Последнее обстоятельство особенно важно при идентификации природы 3В.

Так, при хроматографическом определении в воздухе тетраалкильных производных свинца удаление мешающих примесей озона проводят на колонке из фторопласта с сульфатом железа (II), после чего соединения свинца концентрируют в другой колонке (с паропаком Q). Изменение состава сорбентов и химических реагентов позволяет удалить из анализируемой смеси строго определенные компоненты.

Если рассматривать проблему в целом, то следует отметить, что в большинстве случаев процессы пробоподготовки заключаются в отделении определяемых компонентов от матрицы или, наоборот, мешающих веществ от анализируемой среды таким образом, чтобы достигался максимальный эффект. При этом применяется весьма ограниченное число методов разделения и концентрирования (прежде всего, экстракция и хроматография). При этом методы, требующие очень сложного оборудования, большого количества высокочистых реагентов и значительных затрат времени, в широкой практике обычно не применяются.

Основная доля затрат приходится на процедуры по переводу проб в форму, удобную для анализа (например, растворение, разложение, перевод в другую фазу и т.п.), и отделению определяемых компонентов от мешающих веществ. При их выполнении пока преобладает ручной труд, что во многом обусловливает высокую стоимость определений. В целом пробоподготовку надо строить таким образом, чтобы добиться непрерывного определения 3В в потоке. Длительные операции следует интенсифицировать, используя более высокую температуру и давление, более реакционноспособные среды, эффекты катализа, физические воздействия (микроволновое, фотохимическое) и иные приемы.

Предпочтительны решения, которые позволяют обойтись минимальным числом операций пробоподготовки. Кроме того, они должны быть адекватны друг другу по точностным параметрам, ведь, как известно, именно пробоотбор и пробоподготовка лимитируют надежность получаемых результатов.

Рассмотренные выше особенности и методы пробоподготовки при анализе 3В в природных объектах позволяют сделать вывод о необходимости дальнейших серьезных исследовании в этой области. Именно пробоподготовка в большинстве случаев является наиболее слабым звеном в общей схеме экоаналитического контроля и часто лимитирует качество получаемых аналитических данных. Появление современных технических средств пробоподготовки (автосамплеры, сорбционные патроны, сверхкритические экстракторы и др.) позволяет автоматизировать многие процессы. Однако в конечном итоге надежность аналитической информации во многом зависит и от умения (квалификации) оператора-аналитика.

Читайте также: