Комбинированная схема проточного хроматомембранного газо-экстракционного и жидкостно-абсорбционного выделения летучих веществ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.02, кандидат химических наук Папсуева, Александра Георгиевна

• Папсуева, Александра Георгиевна
• кандидат химических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат химических наук Папсуева, Александра Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Методы выделения веществ, способных образовывать летучие соединения в результате химических превращений

1.1.1. Барботаж

1.1.2. Диализ через пористые мембраны

1.1.3. Хроматомембранные методы

1.2. Методы определения ионов аммония и сульфид-ионов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комбинированная схема проточного хроматомембранного газо-экстракционного и жидкостно-абсорбционного выделения летучих веществ»

Одной из наиболее сложных задач для методов анализа в потоке является концентрирование и выделение определяемых веществ в среду оптимального состава для последующего измерения их концентрации. В частном случае определения в водных средах веществ, способных к превращению в летучие соединения, таких как ионы аммония и сульфид-ионы, для выделения наиболее привлекательна схема, реализующая это специфическое свойство подобных веществ. При этом для выделения в статических условиях обычно используется традиционный прием барботажа, а при анализе в потоке - диализное выделение через пористые гидрофобные мембраны. Возможности совершенствования методик анализа в потоке в рамках известных методов выделения летучих веществ практически исчерпаны, а найденные методические решения, различающиеся конструкциями диализаторов и типом, применяемых мембран, оказываются неудовлетворительными по экспрессности и техническим возможностям их включения в автоматизированные системы непрерывного контроля. Наиболее отчетливо это утверждение прослеживается на примерах методик определения таких распространенных загрязнителей природных вод, как ионы аммония и сульфид-ионы. Так, из-за отсутствия удобных схем выделения, для определения аммиака по-прежнему используются такие высокотоксичные реагенты, как фенол и реактив Несслера. Отсюда становится очевидной необходимость поиска новых общих схем выделения летучих веществ из водных растворов. Новые возможности для поиска и разработки подобных схем открыл хроматомембранный способ осуществления массообменных процессов в системе жидкость - газ [1] и основанные на его принципах методы хроматомембранной газовой экстракции и жидкостной абсорбции [2].

Несмотря на то, что принципиальные возможности осуществления ХММП уже доказаны и подтверждены множеством примеров практического применения хроматомембранных методов, возможности выбора условий его осуществления ограничены отсутствием априорной информации о таком важнейшем параметре, как капиллярное давление, возникающее в микропорах бипористой политетрафторэтиленовой матрицы, используемой для межфазного массообмена.

Целью настоящей работы явилась разработка новой общей схемы проточного выделения веществ, способных образовывать летучие соединения, используя возможности хроматомембранного способа осуществления массообменных процессов в системе жидкость-газ, и подтверждение её аналитических возможностей на примере методик непрерывного проточного и проточно-инжекционного определения ионов аммония и сульфид-ионов. На защиту выносятся:

1. Способ априорной оценки величины капиллярного давления в системах ПТФЭ - водная фаза - органическая фаза и ПТФЭ - водная фаза - газовая фаза.

2. Комбинированная схема хроматомембранного газо-эксгракционного и жидкосгно-абсорбционного выделения веществ, способных к превращению в летучие соединения, для проточных методов анализа

3. Методика проточного кондуктометрического определения микроконцентраций ионов аммония в водных средах, включающая стадию хроматомембранного выделения аммиака.

4. Методика проточного потенциометрического определения микроконцентраций сульфид-ионов в водных средах, включающая стадию хроматомембранного выделения сероводорода.

1. Обзор литературы.

Заключение диссертации по теме «Аналитическая химия», Папсуева, Александра Георгиевна

ВЫВОДЫ

1. С целью выбора условий осуществления хроматомембранного массообменного процесса в системах тв. тело - жидкость - жидкость и тв. тело - жидкость - газ предложены априорные способы расчета капиллярного давления в указанных системах. На примере систем ГТГФЭ - водная фаза -различные органические фазы и ПТФЭ - полярная жидкая фаза - газ проведено сравнение расчетных и экспериментально найденных значений капиллярного давления, подтвердившее адекватность предложенных расчетных уравнений.

2. Предложена комбинированная схема концентрирования в потоке веществ, способных образовывать летучие соединения, включающая хроматомембранное газо-экстракционное выделение последних в поток газа-носителя и последующее их хроматомембранное газо-абсорбционное поглощение в водные растворы.

3. Разработана методика проточного кондуктометрического определения микроконцентраций ионов аммония в водных средах с хроматомембранным выделением аммиака в деионизованную воду. Показано, что хроматомембранная схема выделения обеспечивает меньшую инерционность изменения величины аналитического сигнала при изменении концентрации ионов аммония по сравнению с диализным выделением и соответственно оказывается более предпочтительной для непрерывного проточного анализа в режиме "on - line". Методика обеспечивает возможность определения ионов аммония в водных растворах от 0,15 мг/л до 1,4 - 3,5 мг/л, в зависимости от скорости потоков поглощающего раствора и газа, индуцирующего массоперенос аммиака

4. Разработана методика проточного потенциометрического определения микроконцентраций сульфид-ионов в водных средах, включающая стадию хроматомембранного выделения летучей формы H2S. Показана возможность

91 существенного снижения пределов обнаружения по сравнению со схемой прямого потенциометрического определения (в 6 раз в идентичных условиях), при этом несущественно ухудшается инерционность проточных анализаторов: время отклика увеличивается от 65 до 80 сек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая комбинированная схема выделения, использующая возможности хроматомембранного способа осуществления массообменных процессов, позволяет проводить экспрессное проточное определение веществ, способных образовывать летучие соединения, в водных средах. Выделение определяемых веществ происходит в среду оптимального состава для последующего измерения их концентрации выбранным аналитическим методом. Разработанные методики проточного кондуктометрического и потенциометрического определения ионов аммония и сульфид-ионов, соответственно, основанные на ДХМВ аммиака и сероводорода, рекомендуются для экспрессного определения указанных веществ в природных водах. Достигнутые в настоящей работе ПО ионов аммония и сульфид-ионов в водных средах не уступают ПО методик, основанных на диализном выделении этих веществ. Потенциальные возможности снижения ПО веществ, способных образовывать летучие соединения, связаны с выбором таких геометрических размеров массообменных слоев в двухкамерной ХМЯ, которые бы позволили увеличить скорости потоков газа-носигеля, отдающего и принимающего растворов, а следовательно увеличить и соотношения скоростей соответствующих потоков и, как следствие, достичь больших значений коэффициентов концентрирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Папсуева, Александра Георгиевна, 2001 год

1. Москвин Л.Н. Хроматомембранный метод разделения веществ. // Докл. РАН. -1994.-Т.334. -№5. -С. 599-602.

2. Москвин Л.Н. Хроматомембранный метод разделения веществ. Аналитические и технологические возможности. // Рос. хим. журнал.-1996,-№ 1.-С. 67-76.

3. Москвин Л.Н., Родинков О.В. Хроматомембранный парофазный анализ водных растворов. //Экол. химия.-1995.-Т.4.-№2.-С. 112-116.

4. Москвин Л.Н., Царицына Л.Г. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии.-Л.;Химия -1991.-256 С.

5. Lepine L., Archambault J.-F. Parts-per-trillion determination of trihalomethanes in water by purge-and-trap gas chromatography with electron capture detection. // Anal. Chem. -1992.-64.-P. 810-814.

6. Хмельницкий P.A., Бондаренко M.A. Инструментальные методы определения низких меркаптанов. // Ж. аналит. химии.-1989.-Т.44.-№2.-С. 965-985.

7. Schnable J.G., Capangpangan MB., Suffect I.H. Continuous automatic monitorind of volatile organic compounds in aquious steams by a modified hurge-and-trap system. //J. Cgromatogr. A.-1991.-549.-P. 335-344.

8. Витенберг А.Г., Новикайте H.B., Бурейко A.C. Газохроматографическое парофазное определение летучих веществ в потоке воды. // Ж. аналит. химии.-1996.-Т.51 .-№8.-С. 865-869.

9. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей.-М. :Химия.-1975.-229 С.

10. Мулдер М. Введение в мембранную технологию.-М.:Мир.-1999.-513 С.

11. Золотов Ю.А., Кузьмин Н.М. Концентрирование микроэлементов. -М.:Химия.-1982.-288 С.

12. Яшуркаева ЛИ., Ильин В.И. Мембранные процессы и модели химических производств.- Белгород.-1999.-98 С.

13. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. -М. :Химия. -1981. -464 С.

14. Valcarcel М., Luque de Castro M.D. Non-chromatographic continuous separation techniques. Cambridge.-1991.-290 P. 14.

15. Москвин Л.Н., Гурский B.C. Мембранные методы разделения в аналитической химии. //Ж. анал. химии.-1988.-Т.43.~№4.-С. 581-591.

16. Москвин Л.Н., Никитина Т.Г. Мембранные методы разделения веществ в аналитической химии. // Мембраны.-2000.-№8.-С. 3-16.

17. Becker М., Fuhrmann В., Spohn U. Selective determination of gas dialysable components in complex sample solutions using triangle programmed coulometric titration in continuous flow systems. // Anal. Chim. Acta.-1996.-324.-P. 115-123.

18. Aoki Т., Uemura S., Munemori M. Continuous flow fluorometric determination of ammonia in water. // Anal. Chem.-1983.-55.-P 1620-1622.

19. Алимарин И.П., Ушаков H.H. Справочное пособие по аналитической химии. М.:Химия,-1977.-104 С.

20. Бусев А.И., Симонова Л.Н. Аналитическая химия серы. М.:Наука.-1975,-272 С.

21. Jeroschewski P., Steuckart С., Kuhl М. An amperometric microsensor for the determination of H2S in aquatic environments. // Anal. Chem.-1996.-68.-P. 43514357.

22. Шарло Г. Методы аналитической химии. Количественный анализ неорганических соединений. Т.1,2. М.:Химия.-1969.-1204 С.

23. Nakata R., Kawamura Т., Sakashita H., Nitta A. Determination of ammonium ion in a flow-injection system with a gas-diffusion membrane. // Anal. Chim. Acta.-1988.-208.-P. 81-90.

24. Уильяме Дж. Определение анионов. М.:Наука.-1982.-622 С.

25. Шпигун J1.K. Проточно-инжекционный анализ. // Ж. анал. химии.-1990,-Т.45.-№6.-С. 1045-1091.

26. Fang Z., Zhu Z., Zhang S., Xu S., Guo L., Sun L. On-line separation and preconcentration in flow injection analysis. // Anal. Chim. Acta.-1988.-214,-P. 41-55.

27. Frenzel W. Gas-diffusion separation and flow potentiometry. A fruitful alliance of analitical methods. // Anal. Chem.-1990.-336.-P 21-28.

28. Frenzel W. Membrane besed gas sampling and analysis coupled to continuous flow systems. // Anal. Chem.-1992.-342.-P 817-821.

29. Schulze G., Liu C.Y., Brodowski M., Elsholz O., Frenzel W., Moller J. Different aproaches to the determination of ammonium ions at low levels by flow injection analysis. //Anal. Chim. Acta.-1988.-214.-P. 121-136.

30. Oms M.T., Cerda A., Cladera A., Cerda V., Forteza R. Gas diffusion techniques coupled sequental injection analysis for selective determination of ammonium. // Anal. Chim. Acta-1996.-318.-P 251-260.

31. Andrew K.N., Worsfold P J., Comber M. On-line flow injection monitoring of ammonia in industrial liquid effluents. // Anal. Chim. Acta.-1995.-314.- P 33-43.

32. Cardoso de Faria L., Pasquini C. Flow-injection determination of inorganic forms of nitrogen by gas diffusion and conductimetry. // Anal. Chim. Acta-1991.-245.-P 183-190.

33. Brunt K, Rapid determination of sulfide in waste waters by continuous flow analysis and gas diffusion and a potentiometric detector. // Anal. Chim. Acta.-1984.-163.-P. 293-297.

34. Francom D., Goodwin L.R., Dieken F.P. Determination of low level sulfides in environmental waters by automated gas dialysis/methylene blue colorimetry. // Anal. Lett.-1989.-V.22.-№ 11-12-P. 2587-2600.

35. Van der Linden W.E. Membrane separation in flow injection analysis. Gas diffusion. //Anal. Chim. Acta.-1983.-151.-P359-369.

36. Canham J.S., Gordon G., Pacey G.E. Optimization of parameters for gas-diffusion flow -injection systems. It Anal. Chim. Acta.-1988.-209.-P 157-163.

37. Tryzell R., Karlberg B. Efficiency and response studies on gas diffusion manifolds in flow-injection systems. // Anal. Chim. Acta.-1995.-308.-P 206-213.

38. Van Son M., Schothorst R.C., Den Boef G. Determination of total ammoniacal nitrogen in water by flow injection analysis and a gas diffusion membrane. // Anal. Chim. Acta.-1983.-153.-P. 271-275.

39. Sprenger U., Bachmann K. Determination of ammonium in aerosols cloud and rain water and of gaseous ammonia in the troposphere. // Fres. Z. Anal. Chem.-1987.-327.-P. 16.

40. Pasquini C., Cardoso de Faria L. Flow-injection determination of ammonia in Kjeldahl digets by gas diffusion and conductometry. // Anal. Chim. Acta.-1987.-193,- P. 19-27.

41. Carlson R.M. Automated Separation and conductometric determination of ammonia and dissolved carbon dioxide. // Anal.Chem.-1978.-V.50.-№ll.-P. 15281531.

42. Alegret S., Alonso J., Bartroli J., Martinez-Fabergas E. Flow injection system for on-line potentiometric monitoring of ammonia in freshwater streams. // Anaiyst.-1989.-114.-№ll.-P. 1443-1447.

43. Fraticelli Y.M., Meyerhoff M.E. Automated Determination of ammonia with a potentiometric gas sensor and flowing internal electrolyte. // Anal. Chem.-1981.-53.-P. 992-997.

44. HaraH., Motoike A., Okazaki S. Continuous flow determination of ammonium ions using a gas dialysis concentrator and a gas electrode detector system. // Analyst.-1988.-113,- P 113-115.

45. Терлецкая A.B. Развитие методов анализа вод в 1989 г. // Химия и технология воды.-1991.-Т.13.-№1.-С. 24-62.

46. Moskvin L.N. Chromatomembrane method for the continuous separation of substances. //J. Chromatog. А.-1994,-V.669.-№l-2.-P. 81-87.

47. Москвин Л.Н. Хроматомембранный метод и его аналитические возможности для концентрирования веществ из жидкой и газовой фазы. // Ж. аналит. химии.-1996.-Т.51.-№.11.-С. 1125-1129.

48. Moskvin L.N., Rodinkov O.Y. Continuous chromatomembran headspace analysis. //J. Chromatog. А.-1996,- V.725.-№3.-P.351-359.

49. Москвин Л.Н., Родинков O.B., Катрузов A.H. Непрерывное выделение газообразных и легколетучих примесей из водных растворов с использованием хроматомембранного метода. // Ж. аналит. химии.-1996.-Т.51.-№2.-С. 215-219.

50. Москвин Л.Н., Родинков О.В., Григорьев Г.Л. Непрерывное хроматомембранное выделение летучих примесей из водных растворов для последующего газохроматографического анализа // Ж. аналит. химии.-1996.-Т. 51.-№.11.-С. 1130-1132.

51. Москвин Л.Н., Никоноров В.В. Проточно-инжекционное определение следов нитритов с хроматомембранным концентрированием. // Ж. аналит. химии.-1998.-Т.53.-№.10.-С. 1089-1093.

52. Москвин Л.Н., Никоноров В.В. Проточно-инжеционное опредление диксида серы в воздухе с предварительным хроматомембранным концентрированием. // Ж. аналит. химии.-1996.-Т.51.-№.8.-С. 891-895.

53. Никоноров ВВ., Москвин Л.Н. Проточно-инжеционное определение диксида азота в воздухе с предварительным хроматомембраннымконцентрированием. II "Экоаналитика-98 ". -Тез. докл. -Краснодар. -1998. -С. 341-342.

54. Przybylko A.R.M., Thomas C.L.P., Anstice P.J., Fielden P.R., Brokenshire J., Irons F. The determination of aqueous ammonia by ion mobility spectrometry. // Anal. Chim. Acta.-1995.-311.-P 77-83.

55. Вредные вещества в промышленности. Под.ред. Лазарева А.И.-Л. :Химия. -1971.-Т.2.-619 С.

56. Kuban V., Dasgupta Р.К., Marx J.N. Nitroprusside and methylene blue methods for silicone membrane differentiated flow injection determination of sulfide in water snd wastewater. // Anal. Chem.-1992.-64.-P. 36-43.

57. Ebdon L., Hill S.J., Jameel M., Corns W.T., Stockwell P.B. Automated deteimination of sulfide as hydrogen sulfide in waste streams by gas-phase molecular absorption spectrometry, // Analyst-1997.-122.-P. 689-693.

58. Singh V., Gosain S., Mishra S., Jain A., Verma K.K. Solid-phase extraction and spectrophotometric determination of hydrogen sulfide in air and water utilizing ethylene blue formation. // Analyst.-2000.-125.- P. 1185-1188.

59. Olenic L., Hopirtean E., Olenic L. Potentiometric differential microdetector with interchange solid membranes used in flow injection analysis. // Analyst.-1997.-122.-P. 107-109.

60. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод.-М.:Химия.-1984.-447 С.

61. Searle P.L. The Berthelot of Indophenol reaction and its use in the analytical chemistry of nitrogen. //Analyst.-1984.-109. -P. 549-568.

62. Yu J.-S., Ishimaru Т., Murako M., Otsuki A. Some improvements in the salicylate-dichloroisocyanurate method for determining ammonia in sea water. // Umi = Mer. -1994. -V. 32. -№2. -P. 119-122.

63. Harbin A.-M., van den Berg C.M.G. Determination of ammonia in seawater using catalytic cathodic stripping voltammetiy. // Anal. Chem.-1993.-65.-P 34113416.

64. Lane R, Chow C.W.K., Davey D.E., Mulcahy D.E., McLeod S. On-line microdistillation-based preconcentration technique for ammonia measurement. // Analist. -1997. -122. -P 1549-1552.

65. Shen H., Cardwell T.J., Cattrall R.W. Determination of ammonia in waste waters by a differential pH method using flow injection potontiometry and a nonactin-based sensor. // Analyst.-1997.-122.-P 80-93.

66. Xu Y., Lu Ch., Chen K., Nie L., Yao Sh. A novel bulk acoustic wave sensor for dissolved ammonia. //Anal. Chim. Acta.- 1996.-325,-P. 65-71.

67. Зуй O.B., Терлецкая A.B., Фалендыш E.P., Драпайло О.М. Рациональные методы определения анионов. // Химия и технология воды.-1994.-Т. 16.-№4,-С. 24-62.

68. Spaziani М.А., Davis J.L., Tinani М., Carroll М.К. On line determination of sulfide by the "Methylene Blue method" with diode-laser-based fluorescence detection. //Analyst.-1997.-122.-P. 1555-1557.

69. Cassella R.J., Teixeira L.S.G., Garrigues S., Spinola Costa AC., Santelli R.E., La Guardia M. Determination of sulfide in waters by flow-injection solid phase spectrophotometry. //Analyst.-2000.-125.-P. 1835-1838.

70. Baumann E.W. Determination of parts per billion sulfide in water with the sulfide-selective electrode. //Anal. Chem.-1974.-V.46.-N 9.-P. 1345-1347.

71. Голосницкая В.А., Коваленко Е.В., Кадомцева А.В., Кирьянова Н.А. Анализ природных и сточных вод.-Новоч.ПИ.-1979.-84 С.

72. Kester M.D., Shiudu P.M., Wade A.P. Determination of sulfide with the sulfide-selective microelectrode. //Talanta.-1992.-V.39.-№3.-P. 299-312.

73. Goodwin L.R., Francom D., Urso A., Dieken F.P. Determination of trace sulfides in Turbid waters by gas dialysis/ion chromatography. // Anal. Chem.-1988.-60.-P. 216-219.

74. Jeroschewski P., Haase K., Trommer A., Grundler P. Galvanic sensor for the determination of hydrogen sulphide/ sulphide in aqueous media. // Anal. Chem.-1993.-346.-P. 930-933.

75. Демина Л.А., Краснова Н.Б., Юрищева B.C., Чупахин M.C. Иономегрия в неорганическом анализе.-М. .Химия.-1991.-192 С.

76. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания.-М. .Химия,- 1976.-232 С.

77. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.:Химия.-1989.-83 С.

78. Адамсон А.Ю. Физическая химия поверхностей.-М.:Мир,- 1979.-93 С.

79. Абрамзон А.А, Щукина Е.Д. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества-Л. .Химия.-1982.-392 С.

80. Праусниц Дж., Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей.-Л.:Химия.-1982,- С. 528-531.

81. Григоров О.Н., Карпова И.Ф., Козьмина З.П., Фридрихсберг Д.А. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии.-Л.:Изд-во ЛГУ.-1955.- С.37-38.

82. Витенберг А.Г., Иоффе Б.В. Газовая экстракция в хроматографическом анализе.-Л. :Химия.-1982.-280 С.

83. Лаптев Ф.Ф. Анализ воды. М.:Госгеолтехиздат.-1955,- 52 С.

84. Юинг Г.В. Инструментальные методы химического анализа -М.:Госатомиздат.-1963.-353 С.100

85. Худякова Т. А., Крещков А.П. Теория и практика кондуктометрического и хронокондуктомемтриеского анализа М.:Химия.-1976.-304 С.

86. Harsanyi E.G., Toth К., Pungor Е. The behavior of the silver sulphide precipitate-based ion-selective electrode in the low concentration range. // Anal. Chim. Acta.-1984.-161.-P. 333-341.