Реферат по теме: «Обоснование структурной схемы прибора измерения концентрации нитратов в природной воде»
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи
- 2.1 Планируемые практические результаты
- 2.2 Предполагаемая научная новизна
- 3. Обзор исследований и разработок по теме
- 3.1 На глобальном уровне
- 3.2 На национальном уровне
- 3.3 На локальном уровне
- 4. Текущие результаты
- Выводы
- Список литературы
Вода – ценный природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Для многих живых существ она служит средой обитания. Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой [1].
В процессе жизнедеятельности человек использует значительное количество воды, которая забирается из природных поверхностных или подземных источников. В определенном количестве содержатся органические вещества: углеводороды, органические кислоты, фенолы и др. Присутствие нитратов, как и других азотных соединений в природных водах обычно служат признаком их загрязнения. Количество нитратов в природных водах определяется действием комплекса факторов (биологические, гидрохимические, геоморфологические, климатические, физико-химические свойства почв водосборной территории). Концентрация нитратов в этих водах может превышать 120 мг/л [2].
С целью предотвращения избыточной аккумуляции нитратов в природных водах, сохранение и прогнозирование изменения качества воды е разработать комплекс мер по предотвращению попадания нитратов (использование вещества, не содержащие нитратов), а также наладить региональный и местный контроль за их содержанием, как в природных, так и в сточных водах. В последнем случае, речь идет об эффективности очистных сооружений, устраняющих нитраты в природных водах.
Избыточное количество нитратов вызывает не нормальный ход функционирования природных экосистем и живых организмов, происходит снижение биологической ценности продукции и возрастает негативное воздействие на человека и животных [3].
Охрана здоровья человека становится актуальным заданием современности. В результате антропогенной деятельности человечество все более отдаляет себя от природы и условий, которые способствовали формированию в процессе эволюции адаптационных механизмов организма. Человек становится заложником технического прогресса, испытывая давление других, созданных им самим условий. Почти каждый человек ежедневно использует пищевые продукты, которые содержат нитраты, и не задумывается о том, к каким последствиям это может привести.
Негативное влияние нитратов в поверхностных водах на организмы, составляющие цепочки человека и на самого человека требует снижения концентрации нитратов путем использования технологий, приводящих к уменьшению количества нитратов в сточных водах, а также путем очистки сточных вод от нитратов, и развитием средств контроля за наличием нитратов в сточных водах, и оценивающих эффективность мероприятий по сокращению нитратов. Таким образом, задача построения средств контроля, за наличием нитратов, является актуальной.
Основной целью работы является разработка прибора, предназначенного для измерения концентрации нитратов, обладающий простотой и надежностью, имеющий требуемые метрологические характеристики, а также обеспечивающий удобное и простое обслуживание, имеющий малый вес и габариты, позволяющий его эксплуатацию в разных условиях.
В процессе выполнения дипломной работы должны быть решены следующие задачи:
- Определить процентное содержание нитратов в природной воде, с помощью автоматизированного определения и оценки количественного содержания нитратов в воде;
- Произвести выбор метода измерительного преобразования, на базе которого будет разработано устройство;
- Рассмотреть существующий прототип прибора для измерения концентрации нитратов в воде;
- Выполнить анализ преимуществ и недостатков этих прототипов, и сделать выводы относительно усовершенствования процессов измерения и обработки полученных результатов;
- Разработать структурную схему измерительного канала нитратов в природной воде;
- Оценить его метрологические характеристики;
- Предложить конструкцию прибора, имеющего удобное и простое обслуживание, малый вес и габариты.
2.1 Планируемые практические результаты
С заданными метрологическими характеристиками планируется разработка прибора, имеющего простоту и надежность; возможность получения результатов измерения в цифровом виде, обработка полученной информации, а также передача полученных данных, на операторские пульты и к персональному компьютеру.
2.2 Предполагаемая научная новизна
Избыточное количество нитратов вызывает не нормальный ход функционирования природных экосистем и живых организмов, происходит снижение биологической ценности продукции и возрастает негативное воздействие на человека и животных.
Содержание нитратов в избыточных количествах ухудшает биологическое качество растительной продукции, создает потенциальную опасность для здоровья человека и животных. Нитратомеры проводят автоматическую диагностику параметров электродной системы и автоматическое распознавание любого из стандартных калибровочных растворов в режиме измерения рН.
Имеют ряд преимуществ:
– в приборе отсутствуют механические органы управления
– с автономным питание можно использовать в полевых условиях
– автоматическая диагностика параметров электродной системы
– использование стандартного датчика температуры не требует настройка нитрат-анализатора для измерения температуры.
3. Обзор исследований и разработок по теме
Компания «EcoChimie» SRL как частное предприятие начала свою деятельность в 1997 году. Среди своих главных направлений деятельности можем отметить комплексное оснащение лабораторий. Она поставляет широкий спектр лабораторного оборудования, среди которого представлены: весы, мешалки, pH-метры, нитратомеры, дозаторы, дозиметры, титраторы, фотометры, шейкеры, бани водяные и песчаные, инкубаторы, автоклавы, холодильное оборудование, ламинарные шкафы и многое другое. сотрудничает с ведущими производителями общелабораторного оборудования IKA, AXIS, Heidolph, и реактивов Sigma-Aldrich, Chem-Lab, и многими другими Компаниями из разных стран [4].
Научно-производственное предприятие «Инфраспак-Аналит» – разработчик и производитель приборов для электрохимического анализа под маркой АНИОН. Приборы марки АНИОН сегодня – это более двух десятков моделей приборов, от самых простых pН-метров (рН-метр), кислородомеров и нитратомеров, до сложных многофункциональных анализаторов. Все приборы выполнены на высоком технологическом уровне, обладают высокими метрологическими характеристиками и гарантией высокого качества. Приборы традиционно отмечаются дипломами и медалями региональных экологических, отраслевых и технических выставок [5].
Еще одной из ведущих российских компаний по разработке, производству и продаже экологических приборов является компания ООО «СОЭКС». Ими была выпущена модель нитрат – тестера с усовершенствованной системой управления, разработан компактного индикатора радиоактивности, представлен новый прибор-экотестер, совмещающий функции нитрат-тестера и дозиметра. Продукция «СоЭкс» продается более чем в 80 городах России, а также в Украине, Беларуси, Казахстане, Азербайджане, Японии, Германии, Франции [6].
Прокопенко Наталья Юрьевна
http://masters.donntu.ru/2009/feht/prokopenko/diss/index.htm
Тема выпускной работы: «Исследование содержания фторидов и нитратов в природных водах селитебных территорий Донбасса».
Наибольшая экологическая катастрофа – это загрязнение естественных вод. Использована человеком вода, в конечном счете, возвращается в естественную среду. Но это уже не чистая вода, а бытовые, промышленные и сельскохозяйственные стоковые воды, обычно не очищенные или очищенные недостаточно. Таким образом, происходит загрязнение пресноводных водоемов-рек, озер, суши и прибрежных участков морей. Нитраты – это соли азотной кислоты, которые накапливаются в продуктах и воде при избыточном содержании в почве азотных удобрений, а также попадании кислотных дождей.
Объектом контроля выступают водоемы нашего региона, такие как: река Кальмиус, канал «Сиверский Донец – Донбасс», водохранилища, из которых берется вода и на технические потребности, и на производство питьевой воды. Большинство рек Донецкой области, в том числе р. Кальмиус, относятся к категории загрязненных и очень загрязненных. Ежегодно в Кальмиус поступают около 250 тыс. т сульфатов, 95 тыс. т хлоридов, 45 т нефтепродуктов, 7 тыс. т нитратов, 91 т железы, 12 т синтетических поверхностно-активных веществ (СПАЛ). В целом весь бассейн реки Кальмиус тесно связаный с экономикой прилегающих территорий и играет большую роль в развитии социальной среды [7].
Химический состав естественной воды определяет ее качество и, следовательно, возможность ее использования с той или другой практической целью.
Количество нитратов в природных водах определяется воздействием комплекса факторов (биологические, гидрохимические, геоморфологические, климатические, физико-химические свойства почв водосборной территории) [11].
Таблица 1– Содержание нитратов в природных водах в зависимости от источника загрязнения
| Вид природных вод | Условия загрязнения |
1^0а-, мг/л |
| Поверхностные воды | Естественное |
0,431.33 |
|
Сельскохозяйственное производство |
2.66 – 26,12 |
|
Бытовые стоки |
3.54219,6 |
| Дренажные воды | Естественное |
4.438.86 |
|
Сельскохозяйственное производство |
19.4958.48 |
|
Осушительная мелиорация |
2.21 – 124,04 |
|
Орошение |
0.6635,6 |
|
Удобрение пастбищ |
7,72 – 44.а |
| Грунтовые воды | Естественное |
0,4031.91 |
|
Сельскохозяйственное производство |
0.4475,31 |
|
Глубинные подземные |
0 – 0.71 |
Существуют различные методы и средства, с помощью которых можно определить содержание нитратов в воде. На сегодняшний день известны: фотометрический, титриметрический, потенциометрический, салицилатний и колориметрический методы. В аналитической химии известно несколько методов качественного определения нитратов и нитритов в растворе. Потенциометрический метод анализа является одним из наиболее эффективных способов определения содержания в воде неорганических веществ.
Потенциометрический метод (см. рис. 4.1) основан на измерении потенциала электрода, погруженного в раствор, который анализируется, что изменяется в результате химических реакций и зависит от t0 и концентрации раствора. В потенциометрии обычно применяют гальванический элемент, который состоит из двух электродов, погруженных в один и тот же раствор. Электрод, потенциал которого зависит от концентрации определяемого компонента, называют индикаторным электродом, второй – электродом сравнения с постоянным потенциалом.
Рисунок 4.1 – Принципиальная схема потенциометрического метода анализа
Это метод, в котором используются электроды, потенциал которых зависит от содержания любых ионов в растворе. Чаще всего на практике используют пару электродов, один из которых имеет постоянную величину потенциала (электрод сравнения). А в качестве ионоселективного используется электрод, потенциал которого зависит от концентрации того или другого иона в растворе. Для определения концентрации иона замеряют величину ЕРС, за которой потом рассчитывают концентрацию ионов в растворе. Или предварительно строят калибровочный график зависимости ЕРС от активности иона и по нему определяют искомую концентрацию.
Виды электродов:
– Електрообменные – на межфазных пределах протекают реакции с участием электронов.
– Ионообменные, мембранные или ионоселективные – протекают ионообменные реакции.
Ионоселективные делят на (см. рис 4.2): стеклянные, твердые из гомогенной и гетерогенной мембраной, жидкие , газовые.
Рисунок 4.2 – Электроды сравнения
В идеальном случае измерительный электрод избирательно (селективно) реагирует на определенный ион (или группу ионов), а его потенциал зависит от содержания этих ионов в растворе и подчиняется уравнению Нернста (1).
(1)
где:
а – активность анализируемых ионов в растворе;
S – крутизна электродной функции (2.3 RT/nF).
Точность измерений так же заметно зависит от степени отклонения крутизны электродной функции от теоретического значения. Поэтому крутизна электродной функции является показателем качества электрода. Реальная крутизна электродной функции обычно равна или несколько ниже теоретического значения, превышение ее над теоретической величиной чаще всего говорит об ошибке эксперимента. Следует помнить, что со временем, по мере выработки ресурса электрода, крутизна снижается, и погрешности измерений возрастают.
В качестве измерительного электрода применяется мембранный ионоселективный электрод ЭЛИС-121NO3, в качестве электрода сравнения – хлорсеребряный электрод ЭСр-10103/3,5 [8]. Для определения содержания непосредственно нитратного иона используются нитрат-селективни (ионоселективни) электроды. Ионоселективни электроды (ИСЕ) – сенсоры (чувствительные элементы, датчики), потенциал которых линейно зависит от логарифма активности определяется иона в растворе. Важнейшей составной частью ИСЕ является полупроницаемая мембрана, способная пропускать только определенные ионы. Мембраны изготовляются из специальных сортов стекла, монокристаллов, органических полимеров, пленок ферментов, жидких ионообменников. На границе мембрана – раствор устанавливается равновесие обмена ионами и возникает разница потенциалов. Потенциал ИСЕ зависит от активностей определяется иона в анализируемом растворе и во внутреннем растворе електрода [12].
Разработка ионометрической методики состоит в выборе электрода, который бы позволил бы проводить ионометрические измерения в выбранном диапазоне концентраций в присутствии мешающих анализу примесей. Примеси, входящие в состав пробы, не должны оказывать сильного влияния на результат анализа. Они также могут влиять на результаты анализа, искажая аналитический сигнал ионоселективного электрода. В этом случае несложно произвести расчет погрешности определения от влияния мешающих анализу примесей [9]. Относительная погрешность анализа от действия каждой примеси можно рассчитать по следующей формуле (2):
%
где C – концентрация определяемого иона; Z – заряд определяемого иона; Сm – концентрация мешающего иона; Zm – заряд мешающего иона; K – коэффициент селективности.
На рисунке (4.3) представленая схема прибора ионо (нитрат) селективного эелектрода.
Рисунок 4.3 – Схема ионоселективного електрода с жидкой мембраной
На рисунке обозначено:
1 – внутренний электрод сравнения (хлорсеребряного);
2 – исследуемый раствор,
3 – ионообменный раствор;
4 – пластиковый корпус устройства;
5 – жидкая мембрана, приготовленная из пористой диафрагмы, пропитанной ионообменным раствором [10].
Рисунок 4.4 – Анимация процесса отбора пробы воды для определения нитратов (количество кадров – 7; объем – 47,6 кб; количество циклов повторения – 5; задержка между кадрами – 1,5 с)
Большим преимуществом потенциометрии среди других аналитических методов является возможность использовать метод при непрерывном контроле, в том числе в проливе. Преимущества потенциометрического метода: – скорость и простота; – используя электроды, можно определять компоненты в очень маленьких объемах пробах, к десятым частям миллиметра; – дает возможность проводить анализы в мутных и окрашенных растворах, вязких пастах, исключая процедуры фильтрования и перегонки; – проба остается неиспорченной и пригодная для других анализов; – возможность полной и частичной автоматизации.
Достоинством и недостатком метода одновременно является то, что измеряемый потенциал зависит от активности. Это единственный метод прямого определения активности ионов в растворах. Но с другой стороны аналитиков чаще интересует концентрация, а пересчет активности ионов в концентрацию с применением эмпирических коэффициентов активности вызывает некоторую дополнительную погрешность.
Существует вариант метода, в котором в калибровочные и анализируемые растворы вводится индифферентный электролит. Это позволяет проводить калибровку и последующий анализ в единицах концентрации.
В настоящее время существуют приборы, шкала которых при использовании данной пары электродов уже откалибрована на концентрацию определяемого иона. Примером такого прибора может служить нитратомер, рН-метр, прибор для измерения концентрации СО2. В данной работе для определения содержания нитрат-ионов NO3 – был использован иономер рХ-150.1МИ. Имеет хорошие метрологические характеристики, простота и надежность, не высокая стоимость, способны за несколько секунд сделать необходимый анализ, показав реальное содержание нитратов в анализируемой среде.
Нитратомеры смогут формировать унифицированные сигналы с дальнейшей их передачей по стандартизированным протоколам к контроллеру и на операторские пульты. На основании потенциометричного метода разработана структурная схема. Сама система многоканальная, выделяем один из каналов (см. рис. 4.5).
Рисунок 4. 5 – Структурная схема устройства
ИН – источник напряжения; МП – микропроцессор; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; УПП – устройство пробо подготовки; УОП – устройство отбора проб; ИК v измерительная кювету; ПС – программное средство; УПД – устройство передачи данных.
Взаимодействие из анализируемой средой должно выполняться в измерительной кювете. Туда подается, с помощью системы отбора и подготовки проб, анализируемая среда. Как известно, результат измерений ионоселективних электродов зависит от температуры жидкости. Среди измерений каналов есть канал измерения температуры. Данные о ней используются в алгоритме определения результатов измерений при выполнении функции коррекции результата измерений от температуры. Необходимо измерять превращение, получив в результате концентрацию нитратов. Для этой цели в структурной схему вводим: устройство обработки сигнала, на входе которого должен поступать сигнал из ионоселективного електрода, а вихидний-вимирюваним сигналом поступает на измерительный усилитель. На вход АЦП сигнал поступает через мультиплексор аналоговых сигналов. Мультиплексором к входу АЦП также подключен исходный сигнал измерительного канала температуры, используемый в задачи измерения концентрации нитратов и исходные сигналы других измерительных каналов контроля параметров естественных вод. Из выхода АЦП кодовые комбинации поступают в микропроцессор, где вычисляется значения концентрации нитратов, температурные поправки. Результаты измерений накапливаются и периодически с минимальным периодом (пол часа) передаются.
Поскольку, потребителем информации выступает система экологического мониторинга (городская среда, подсистема), то результат измерений представлен в виде сообщения должен быть передан к центру обработки подсистемы мониторинга. Мобильный пульт подключен к вычислительному устройству периодически при проведенных контрольных проверок и обслуживаются автоматической системы сбора и контроля данных. Программное обеспечение (ПЗ) необходимо для управления процессами сбора и накопления данных, контроля, исправность аппаратуры, выполнения превращения введенных кодовых комбинаций, физические величины. Энергообеспечение всей подсистемы обеспечивается источником питания. Нитратомири смогут формировать унифицированные сигналы с последующей их передачей по стандартизированным протоколах к контролеру и на операторские пульты.
При разработке выполнено анализ объекта контроля, показанная актуальность этой разработки, рассмотрены и учтены стандартные методики и некоторые технические средства. А также, разработано измерительное устройство концентрацию нитратов в естественной воде.
В рассмотренном устройстве избранный удовлетворяет выставленным требованиям, для наших условий прототип и на основе его построенная усовершенствована структурная схема, которая реализует выставленные требования. При последующей разработке данного устройства в данном направление планируется выполнить синтез микропроцессорной системы:
– разработать прибор измерения нитрат-ионов в естественной воде для применения при экспресс-методе;
– учет дестабилизировавших факторов с целью оценки действительных метрологических параметров и характеристик;
– проектирование микропроцессорной системы, разработка алгоритмического и программного обеспечения функционирования измерительного прибора.
В алгоритм обеспечения предусмотреть методы и средства для повышения надежности метрологического средства измерения: периодическое устранение систематической и мультипликативной погрешности.
- Методы очистки вод от нитратов и нитритов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://any-book.org/download/10875.html;
- Нитраты и нитриты. Влияние на организм человека [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.prodobavki.com/modules.php?name=articles&article_id=96;
- Абрамов Н. Н. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. – Москва: Стройиздат, 1974. – 480 с.;
- Лабораторное оборудование и приборы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ecochimie.md/index.php?option=com_content&view=article&id=1&Itemid=53&lang=ru
- Компания «Анион» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.anion.nsk.su/
- Компания «СОЭКС» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://soekcc ccs.ru/
- Комплексная характеристика реки Кальмиус [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://referat.ru/referats/view/23586
- Нитратомер рХ-150.1МИ (Руководство по эксплуатации ГРБА.414318.002-01ФО)
- Разработка ионометрической методики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.novedu.ru/buildion.htm
- Клячков В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М.: Стройиздат. 1971. –579 с.;
- "Чем опасны нитраты" [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://free-referat.ru/referats/ekologia/id5227/page12/
- Мидгли Д., Торренс К., «Потенциометрический анализ воды», Мир, 1980.
Примечание: при написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и все материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.