Библиотека

Самое привычное и самое невероятное вещество на Земле – вода. Значение воды невозможно переоценить в жизни всего живого на планете. Являясь преобладающим элементом в составе любого организма, вода руководит и его жизнедеятельностью. В настоящее время экологическая проблема загрязнения водных объектов (рек, озер, грунтовых вод и т.д.) является наиболее актуальной, т.к. всем известно – выражение «вода — это жизнь». Большие объемы воды проходят через тяжелую промышленность, после чего сбрасывается в водоемы, при этом недостаточно очищенные от загрязняющих веществ, которые могут концентрироваться в определенных местах, нанося непоправимый урон окружающей среде.

Качественное и количественное определение состава загрязнений в стоках необходимо не только для выбора технологии их очистки, но и для соблюдения норм сброса очищенных сточных вод в водоемы. Существующие нормы предельно допустимой концентрации нефтепродуктов в воде установлены для нефтепродуктов и их фракций.

Нефть - природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений. В связи с тем, что нефть являются чрезвычайно сложной, непостоянной по составу смесью веществ - низко- и высокомолекулярных, предельных, алифатических, ароматических углеводородов и других соединений - "нефтепродуктами" при анализе вод принято считать сумму малополярных углеводородов - алифатических, алициклических, ароматических, составляющих основную часть нефти. В соответствии с методами определения фракций в сточных водах должны включать концентрирование и выделение нефтепродуктов, отделение углеводородной части от посторонних веществ и количественный анализ выделенных веществ.

В процессе выполнения настоящей работы были оценены достоинства и недостатки методов определения нефтепродуктов в воде, с позиции разработки средств оперативного контроля. В результате анализа выбор был остановлен на Инфракрасной (ИК) бездисперсионной спектрометрии, обеспечивающая необходимую точность и оперативность.

Определение содержания нефтепродуктов по этому методу основано на выделении нефтяных компонентов экстракцией четыреххлористым углеродом, хроматографическом отделении углеводородов от соединений других классов в колонке с оксидом алюминия и количественном их определении по интенсивности поглощения С-Н связей метиленовых (-СН2-) и метильных (-СН3-) групп в инфракрасной области спектра (2 930 ± 70) см^-1.

Данный метод позволяет делать эффективную оценку нефтяного загрязнения, осуществлять непосредственный мониторинг загрязнений нефтяными углеводородами без потери каких-либо фракций и гарантирует достоверность, воспроизводимость и точность результатов измерений.

Основное достоинство метода - слабая зависимость аналитического сигнала от типа нефтепродукта, составляющего основу загрязнения пробы. Недостатки: невозможность регистрации слабых сигналов из-за малого отношения сигнал: шум, что имеет место при концентрации нефтепродуктов в сотые доли предельно допустимой концентрации (ПДК) и менее. Согласно статистических экологических данных об р. Кальмиус (основная водная артерия г. Донецка), загрязнения нефтепродуктами может превышать в единицы раз установленных ПДК.

Согласно методу ИК-спектрометрии вещество характеризуется: частотно-зависимым коэффициентом поглощения ε(λ). Для простых веществ спектр поглощения носит характер гаусианы, для сложных веществ это набор простых составляющих, взятых в определённых пропорциях. В результате такого смешения компонентов, спектр получается сложного вида, но все спектры по виду индивидуальны, и по виду спектра можно идентифицировать вещество.

В разработке была использованная математическая модель, выполнив синтез на базе простейших веществ. Описав следующими формулами, просуммируем их:

На базе построенной модель, была спроектирована конструкция бездисперсионного спектрометрического первичного измерительного преобразователя, изображенного на рис.3.

Конструкция содержит источник фото облучателя, направленного на собирающую линзу, которая образует поток, направленный на кювету с пробой. В кювете с пробой добавляется четыреххлористый углерод, для концентрирования нефтяные компоненты в осадке. Для эффективности процесса окрашивания раствора требуется перемешивание.[2] После чего световой поток проходит через образец и попадает во вторую линзу, где пройденный свет собирается в одну точку на фотоприемнике.

В процессе выполнения настоящей работы, авторы пришли к выводу, что источником излучения может быть СИД типа LED 34. Прибор должен быть совмещен с устройством подготовки пробы. Так же были установлены метрологические характеристики этого преобразователя. Потеря света за счет рассеяния при работе с истинными растворами становится также ничтожно малой. Ослабление света происходит главным образом за счет поглощения (абсорбции) световой энергии Iп окрашенным раствором.

В результате такого процесса, спектр получается сложного вида, но все спектры по виду индивидуальны. По виду спектра можно идентифицировать вещество. Процесс формирования аналитического сигнала представлен на рис.4.

Взаимодействие анализируемого вещества с потоком излучения описываются в спектральной области:

Где С - концентрация, l - длина оптического пути в веществе (этот параметр должен быть const).

Оптическая плотность D является функцией двух переменных λ и C.

Поток излучения, проходя через слой вещества, частично поглощается. Это может быть описано следующим образом:

В выходном потоке оптического излучения присутствует информация об анализируемой компоненте. Количественно это изменение можно определить следующим образом:

Где λ1 и λ2 - границы полосы поглощения анализируемого вещества или спектра излучения.

Преобразование должно быть завершено путём преобразования оптического сигнала, что собой представляет излучение, содержащее информацию об анализируемой компоненте, в величину фототока выходного электрического сигнала фотодиода.

где S_{сиг.инт} – интегральная чувствительность фотодиода.

На базе разработанного процесса получена характеристика оптоэлектронного измерительного преобразователя нефтепродуктов, приведенная на рис.5.

Дальнейшая обработка аналитического сигнала I(C) и получение результата измерения обеспечивается устройством измерения концентрации нефтепродуктов.

Структурная схема устройства приведена на рис.5. При проектировании использован источник [3]. Так же возможны введения дополнительных каналов измерения, для большей точности измерения и ускорения процесса индетификации.

В результате выполнения работы разработан и математически описан бездисперсионный спектрометрический измерительный преобразователь нефти и ее фракций, так же и нефтепродуктов. Были установлены метрологические характеристики математической модели и первичного преобразователя. На базе этой модели установлена характеристика преобразования ИП выходного фототока от концентрации НП

Предложена структурная схема (рис.6) устройства измерения нефти и ее фракции с использованием разработанного первичного измерительного преобразователя.

На схеме обозначены устройства:
ИИ - источник излучения;
ОС – Оптическая система;
ФП – фотоприемник;
I->U – преобразователь тока в напряжение;
НУ - нормирующий усилитель;
МАС – мультиплексор аналоговых сигналов;
УВХ – устройство выборки-хранения;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
МПС - микропроцессорная система;
ДОИ – дисплей отображения информации;

Разработанная математическая модель на последующих этапах проектирования, должна быть доработана, путём учёта на измерительный процесс дестабилизирующих неблагоприятных факторов, таких как: температура окружающей среды, влияющая как на процесс формирования аналитического сигнала, так и на аналоговые компоненты электронных узлов измерительного прибора, кислотно-щелочной баланс пробы, нестабильность питающих напряжений прибор.

Для микропроцессорного устройства необходима разработка алгоритмов выполнения автоматического измерений и программного сопровождения, обеспечивающего уровень интеллекта средства измерения. Погрешности измерения прибора могут быть сведены к аддитивной и мультипликативной составляющим и в процессе анализа автоматически устраняться средствами микропроцессорной системы.

Перечень ссылок

1. Другов Ю.С., Родин А. А. Экологический анализ при разливах нефти и нефтепродуктов. – С.-Пб., 2000. – 250 с.
2. Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природных, питьевых и сточных вод с использованием инфракрасных спектрометров серии ИнфраЛЮМ® ФТ. – С.-Пб, 2006. – 2 с.
3. Родин В.В. Теория и расчёт измерительных преобразователей и приборов: Методические указания к выполнению лабораторных работ. – Саранск: Изд-во «Референт», 2007. – 52 с.