Реферат на тему: "Обгрунтування структурної схеми приладу вимірювання концентрації нітратів в природній воді"

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальнiсть теми
• 2. Цілі та задачі
• 2.1 Заплановані практичні результати
• 2.2 Передбачувана наукова новизна
• 3. Огляд досліджень і розробок по темі
• 3.1 На глобальному рівні
• 3.2 На національному рівні
• 3.3 На локальному рівні
• 4. Поточні результати
• Висновки
• Список літератури

 

 

Вступ

Вода – цінний природний ресурс. Вона грає виняткову роль в процесах обміну речовин, що становлять основу життя. Для багатьох живих істот вона служить місцем існування. Зростання міст, бурхливий розвиток промисловості, інтенсифікація сільського господарства, значне розширення площ зрошуваних земель, поліпшення культурно-побутових умов і ряд інших чинників все більше ускладнює проблеми забезпечення водою [1].

У певній кількості містяться органічні речовини: вуглеводні, органічні кислоти, феноли та ін. Присутність нітратів, як і інших азотних сполук в природних водах зазвичай служать ознакою їх забруднення. Кількість нітратів в природних водах визначається дією комплексу чинників   (біологічні, гидрохимические, геоморфологічні, кліматичні, фізико-хімічні властивості грунтів водозбірної  території). Концентрація нітратів в цих водах може  перевищувати 120 мг/л [2].

З метою відвертання надмірної акумуляції нітратів в природних водах, збереження і прогнозування зміни якості води е розробити комплекс заходів по відвертанню попадання нітратів (використання речовини, що не містять нітратів), а також налагодити регіональний і місцевий контроль за їх змістом, як в природних, так і в стічних водах. У останньому випадку, йдеться про ефективність очисних споруд, що усувають нітрати в природних водах.

 

1. Актуальнiсть роботи

Надмірна кількість нітратів викликає не нормальний хід функціонування природних екосистем і живих організмів, відбувається зниження біологічної цінності продукції і зростає негативна дія на людину і тварин [3].

Охорона здоров'я людини стає актуальним завданням сучасності. В результаті антропогенної діяльності людство усе більш віддаляє себе від природи і умов, які сприяли формуванню в процесі еволюції адаптаційних механізмів організму. Людина стає заручником технічного прогресу, зазнаючи тиску інших, створених їм самим умов. Майже кожна людина щодня використовує харчові продукти, які містять нітрати, і не замислюється про те, до яких наслідків це може привести.

Негативний вплив нітратів в поверхневих водах на організми, що становлять ланцюжки людини і на саму людину вимагає зниження концентрації нітратів шляхом використання технологій, що призводять до зменшення кількості нітратів в стічних водах, а також шляхом очищення стічних вод від нітратів, і розвитком засобів контролю за наявністю нітратів в стічних водах, і заходів, що оцінюють ефективність, по скороченню нітратів. Таким чином, завдання побудови засобів контролю, за наявністю нітратів,  є актуальним.

 

 

2. Цілі та задачі

Основною метою роботи є розробка приладу, призначеного для виміру концентрації нітратів, що має простоту і надійність, має необхідні метрологічні характеристики, а також що забезпечує зручне і просте обслуговування, має малу вагу і габарити, що дозволяє його експлуатацію в різних умовах.

В процесі виконання дипломної роботи мають бути вирішені наступні завдання:
1. Визначити відсотковий вміст нітратів в природній воді, за допомогою автоматизованого визначення і оцінки кількісного змісту нітратів у воді;
2. Зробити вибір методу вимірювального перетворення, на базі якого буде розроблено пристрій;.
3. Розглянути  існуючий  прототип  приладу  для  виміру концентрації нітратів у воді;
4. Виконати аналіз  переваг і недоліків цих прототипів, і зробити висновки відносно удосконалення процесів  виміру і обробки отриманих результатів;
5. Розробити структурну схему вимірювального каналу нітратів в природній воді;
6. Оцінити його метрологічні характеристики;
7. Запропонувати конструкцію приладу, що має зручне і просте обслуговування, малу вагу і габарити.

 

    2.1 Заплановані практичні результати

Із заданими метрологічними характеристиками планується розробка приладу, що має простоту і надійність; можливість отримання результатів виміру в цифровому виді, обробка отриманої інформації, а також передача отриманих даних, на операторські пульти і до персонального комп'ютера.

 

 

    2.2 Передбачувана наукова новизна

Надмірна кількість нітратів викликає не нормальний хід функціонування природних екосистем і живих організмів, відбувається зниження біологічної цінності продукції і зростає негативна дія на людину і тварин. Зміст нітратів в надмірних кількостях погіршує біологічну якість рослинної продукції, створює потенційну небезпеку для здоров'я людини і тварин.

Нитратомеры  проводять автоматичну діагностику параметрів електродної системи і автоматичне розпізнавання будь-якого із стандартних калібрувальних розчинів в режимі виміру рН. Мають ряд переваг:
– в приладі відсутні механічні органи управління;
– з автономним живлення можна використати в польових умовах;
– автоматична діагностика параметрів електродної системи;
– використання стандартного датчика температури не вимагає налаштування нітрат-аналізатора для виміру температури.

 

 

3. Огляд досліджень і розробок по темі

 

     3.1 На глобальному рівні:

Компанія "EcoChimie" SRL як приватне підприємство початку свою діяльність в 1997 році. Серед своїх головних напрямів діяльності можемо відмітити комплексне оснащення лабораторій. Вона поставляє широкий спектр лабораторного устаткування, серед якого представлені: ваги, мішалки, pH-метри, нитратомеры, дозатори, дозиметри, титратори, фотометри, шейкери, лазні водяні і піщані, інкубатори, автоклави, холодильне устаткування, ламинарные шафи і багато що інше. Cотрудничает з провідними виробниками загальнолабораторного устаткування IKA, AXIS, Heidolph, і реактивів Sigma-Aldrich, Chem-Lab, і багатьма іншими Компаніями з різних країн [4].

 

3.2 На національному рівні:

Науково-виробниче підприємство "Инфраспак-Аналит" – розробник і виробник приладів для електрохімічного аналізу під маркою АНІОН. Прилади марки АНІОН сьогодні – це більше двох десятків моделей приладів, від найпростіших pН-метрів (рН-метр), оксиметрів і нитратомірів, до складних багатофункціональних аналізаторів. Усі прилади виконані на високому технологічному рівні, мають високі метрологічні характеристики і гарантію високої якості. Прилади традиційно відзначаються дипломами і медалями регіональних екологічних, галузевих і технічних виставок [5].

Ще однією з провідних російських компаній по розробці, виробництву і продажу екологічних приладів є компанія ТОВ "СОЭКС". Ними була випущена модель нитрат-тестера з вдосконаленою системою управління, розроблений компактного індикатора радіоактивності, представлений новий прилад-екотестер, що поєднує функції нитрат-тестера і дозиметра. Продукція "СоЭкс" продається більш ніж в 80 містах Росії, а також в Україні, Білорусі, Казахстані, Азербайджані, Японії, Німеччині, Франції [6].

3.3 На локальному рівні:

Прокопенко Наталія Юріївна http://masters.donntu.ru/2009/feht/prokopenko/diss/index.htm Тема випускної роботи: "Дослідження змісту фторидів і нітратів в природних водах селитебных територій Донбасу".

 

4. Поточні результати

Найбільша екологічна катастрофа – це забруднення природних вод. Використана людиною вода, кінець кінцем, повертається в природне середовище. Але це вже не чиста вода, а побутові, промислові і сільськогосподарські стокові води, зазвичай не очищені або очищені недостатньо. Таким чином, відбувається забруднення прісноводих водойм - річок, озер, суші і прибережних ділянок морів. Нітрати – це солі азотної кислоти, які накопичуються в продуктах і воді при надмірному змісті в грунті азотних добрив, а також попаданні кислотних дощів.

Об'єктом контролю виступають водойми нашого регіону, такі як: річка Кальмиус, канал "Сіверський Донець-Донбас", водосховища, з яких береться вода і на технічні потреби, і на виробництво питної води. Більшість річок Донецької області, у тому числі р. Кальмиус, належать до категорії забруднених і дуже забруднених. Щорічно в Кальмиус поступають близько 250 тис. тонни сульфатів, 95 тис. тонни хлоридів, 45 тонни нафтопродуктів, 7 тис. тонни нітратів, 91 тонни залози, 12 тонни синтетичних поверхнево-активних речовин (СПАВ). В цілому увесь басейн річки Кальмиус тісно связаный з економікою прилеглих територій і грає велику роль в розвитку соціального середовища [7].

Хімічний склад природної води визначає її якість і, отже, можливість її використання з тією або іншою практичною метою.

Кількість нітратів в природних водах визначається дією комплексу чинників (біологічні, гидрохимические, геоморфологічні, кліматичні, фізико-хімічні властивості грунтів водозбірної території) [11].

 

Таблиця 1 – Зміст нітратів в природних водах залежно від джерела забруднення

Вид природних вод	Умови забруднення	1^0а-, мг/л
Поверхневі води	Природне	0,431.33
	Сільськогосподарське виробництво	2.66-26,12
	Побутові стоки	3.54219,6
Дренажні води	Природне	4.438.86
	Сільськогосподарське виробництво	19.4958.48
	Осушувальна меліорація	2.21-124,04
	Зрошування	0.6635,6
	Добриво пасовищ	7,72-44
Грунтові води	Природне	0,4031.91
	Сільськогосподарське виробництво	0.4475,31
	Глибинні підземні	0-0.71

 

Існують різні методи і засоби, за допомогою яких можна визначити зміст нітратів у воді. На сьогодні відомі: фотометричний, титриметричний, потенціометр, салицилатний і колориметричний методи. У аналітичній хімії відомі декілька методів якісного визначення нітратів і нітриту в розчині. Метод потенціометра аналізу є одним з найбільш ефективних способів визначення змісту у воді неорганічних речовин.

Метод (див. рис. 1.1) потенціометра грунтований на вимірі потенціалу електроду, зануреного в розчин, який аналізується, що змінюється в результаті хімічних реакцій і залежить від t0 і концентрації розчину. У потенціометрії зазвичай застосовують гальванічний елемент, який складається з двох електродів, занурених в один і той же розчин. Електрод, потенціал якого залежить від концентрації визначуваного компонента, називають індикаторним електродом, другий – електродом порівняння з постійним потенціалом.

Рисунок 4.1 – Принципова схема методу потенціометра аналізу

Це метод, в якому використовуються електроди, потенціал яких залежить від змісту будь-яких іонів в розчині. Найчастіше на практиці використовують пару електродів, один з яких має постійну величину потенціалу (електрод порівняння). А як ионоселективного використовується електрод, потенціал якого залежить від концентрації того або іншого іона в розчині. Для визначення концентрації іона заміряють величину ЕРС, за якою потім розраховують концентрацію іонів в розчині. Или заздалегідь будують калібрувальний графік залежності ЕРС від активності іона і по ньому визначають шукану концентрацію.

Види електродів:

– eлектрообменные;

– на міжфазних межах протікають реакції за участю електронів;

– іонообмінні, мембранні або ионоселективные;

– протікають іонообмінні реакції.

Ионоселективные ділять на (див. рис. 1.2): скляні, тверді з гомогенною і гетерогенною мембраною, рідкі, газові.

Рисунок 4.2 – Електроди порівняння

У ідеальному випадку вимірювальний електрод вибірково (селективно) реагує на певний іон (чи групу іонів), а його потенціал залежить від змісту цих іонів в розчині і підкоряється рівнянню Нернсту (1).

(1)

 

де:

а – активність аналізованих іонів в розчині;

S – крутизна електродної функції (2.3 RT/nF).

Точність вимірів так само помітно залежить від міри відхилення крутизни електродної функції від теоретичного значення. Тому крутизна електродної функції є показником якості електроду. Реальна крутизна електродної функції зазвичай рівна або дещо нижче теоретичного значення, перевищення її над теоретичною величиною найчастіше говорить про помилку експерименту. Слід пам'ятати, що з часом, у міру вироблення ресурсу електроду, крутизна знижується, і погрішності вимірів зростають.

В якості вимірювального електроду застосовується мембранний ионоселективный електрод ЭЛИС-121NO3, в якості електроду порівняння - хлорсеребряный електрод ЭСр-10103/3,5 [8]. Для визначення змісту безпосередньо нітратного іона використовуються нитрат-селективни (ионоселективни) електроди. Ионоселективни електроди (ИСЕ) – сенсори (чутливі елементи, датчики), потенціал яких лінійно залежить від логарифма активності визначається іона в розчині. Найважливішою складовою частиною ИСЕ є напівпроникна мембрана, здатна пропускати тільки певні іони. Мембрани виготовляються із спеціальних сортів скла, монокристалів, органічних полімерів, плівок ферментів, рідких іонообмінників. На межі мембрана -– розчин встановлюється рівновага обміну іонами і виникає різниця потенціалів. Потенціал ИСЕ залежить від активностей визначається іона в аналізованому розчині і у внутрішньому розчині електрода [12].

Розробка іонометричної методики полягає у виборі електроду, який би дозволив би проводити іонометричні виміри у вибраному діапазоні концентрацій у присутності домішок, що заважають аналізу. Домішки, що входять до складу проби, не повинні робити сильного впливу на результат аналізу. Вони також можуть впливати на результати аналізу, спотворюючи аналітичний сигнал іоноселективного електроду. В цьому випадку нескладно зробити розрахунок погрішності визначення від впливу тих, що заважають аналізу домішок [9]. Відносна погрішність аналізу від дії кожної домішки можна розрахувати по наступній формулі:

%  

(2)

де

C – концентрація визначуваного іона;

Z – заряд визначуваного іона;

Cm – концентрація іона, що заважає;

Zm – заряд іона, що заважає;

K – коефіцієнт селективності.

На рисунку (1.3) представлена схема нітрат-селективного електрода:

 
Рисунок 4.3 – Схема ионоселективного електрода з рідкою мембраною

На рисунку позначено: 1 – внутрішній електрод порівняння (хлорсеребряного); 2 – досліджуваний розчин, 3 – іонообмінний розчин; 4 – пластиковий корпус пристрою; 5 – рідка мембрана, приготована з пористої діафрагми, просоченої іонообмінним розчином [10].

Рисунок 4.4 – Анімація процесу відбору проби води для визначення нітратів (кількість кадрів – 7; об'єм – 47,6 кб; кількість циклів повторення – 5; затримка між кадрами – 1,5 с)

Великою перевагою потенціометрії серед інших аналітичних методів є можливість використати метод при безперервному контролі, у тому числі в протоці. Переваги методу потенціометра: – швидкість і простота; – використовуючи електроди, можна визначати компоненти в дуже маленьких об'ємах пробах, до десятих частин міліметра; – дає можливість проводити аналізи в каламутних і забарвлених розчинах, в'язких пастах, виключаючи процедури фільтрування і перегонки; – проба залишається незіпсованою і придатна для інших аналізів; – можливість повної і часткової автоматизації.

Достоїнством і недоліком методу одночасно є те, що вимірюваний потенціал залежить від активності. Це єдиний метод прямого визначення активності іонів в розчинах. Але з іншого боку аналітиків частіше цікавить концентрація, а перерахунок активності іонів в концентрацію із застосуванням емпіричних коефіцієнтів активності викликає деяку додаткову погрішність.

Існує варіант методу, в якому в калібрувальні і аналізовані розчини вводиться індиферентний електроліт. Це дозволяє проводити калібрування і подальший аналіз в одиницях концентрації.

Нині існують прилади, шкала яких при використанні цієї пари електродів вже відкалібрована на концентрацію визначуваного іона. Прикладом такого приладу може служити нітратомір, рН-метр, прилад для виміру концентрації СО2. У цій роботі для визначення змісту нітрат-іонов NO3 – був використаний іономер рХ-150.1МИ. Має хороші метрологічні характеристики, простота і надійність, не висока вартість, здатні за декілька секунд зробити необхідний аналіз, показавши реальний зміст нітратів в аналізованому середовищі.

Нітратоміри зможуть формувати уніфіковані сигнали з подальшою їх передачею по стандартизованих протоколах до контроллера і на операторські пульти. На підставі потенциометричного методу розроблена структурна схема. Сама система багатоканальна, виділяємо один з каналів (див. рис. 1.4).

Рисунок 4. 4 – Структурна схема пристрою

На рисунку позначено: ДЖ – джерело напруги; МП – мікропроцесор; АЦП – аналого-цифровий перетворювач; ППП – пристрій пробопідготовки; ПВП – пристрій відбору проб; ВК – вимірювальна кювета; ПЗ – програмний засіб; ППД – пристрій передачі даних.

Взаємодія з аналізованим середовищем повинно виконуватися у вимірювальній кюветі. Туди подається, за допомогою системи відбору і підготовки проб, аналізоване середовище. Як відомо, результат вимірів ионоселективних електродів залежить від температури рідини. Серед вимірів каналів є канал виміру температури. Дані про неї використовуються в алгоритмі визначення результатів вимірів при виконанні функції корекції результату вимірів від температури. Необхідно вимірювати перетворення, отримавши в результаті концентрацію нітратів. Для цієї мети в структурній схему вводимо: облаштування обробки сигналу, на вході якого повинен поступати сигнал з ионоселективного електрода, а вихидний-вимирюваним сигналом поступає на вимірювальний підсилювач. На вхід АЦП сигнал поступає через мультиплексор аналогових сигналів. Мультиплексором до входу АЦП також підключений початковий сигнал вимірювального каналу температури, використовуваний в завдання виміру концентрації нітратів і початкові сигнали інших вимірювальних каналів контролю параметрів природних вод. З виходу АЦП кодові комбінації поступають в мікропроцесор, де обчислюється значення концентрації нітратів, температурні поправки. Результати вимірів накопичуються і періодично з мінімальним періодом (підлога години) передаються.

Оскільки, споживачем інформації виступає система екологічного моніторингу (міське середовище, підсистема), то результат вимірів представлений у вигляді повідомлення має бути переданий до центру обробки підсистеми моніторингу. Мобільний пульт підключений до обчислювального пристрою періодично при проведених контрольних перевірок і обслуговуються автоматичної системи збору і контролю даних. Програмне забезпечення (ПЗ) потрібне для управління процесами збору і накопичення даних, контролю, справність апаратури, виконання перетворення введених кодових комбінацій, фізичні величини. Енергозабезпечення усієї підсистеми забезпечується джерелом живлення. Нитратомири зможуть формувати уніфіковані сигнали з подальшою їх передачею по стандартизованих протоколах до контролера і на операторські пульти.

Висновки

При розробці виконано аналіз об'єкту контролю, показана актуальність цієї розробки, розглянуті і враховані стандартні методики і деякі технічні засоби. А також, розроблений вимірювальний пристрій концентрацію нітратів в природній воді. У розглянутому пристрої обраний задовольняє виставленим вимогам, для наших умов прототип і на основі його побудована вдосконалена структурна схема, яка реалізує виставлені вимоги.

При подальшій розробці цього пристрою в даному напрям планується виконати синтез  мікропроцесорної системи:

• розробити прилад виміру нітрат - іонів в природній воді для застосування при експрес-методі;
• облік чинників, що дестабілізували, з метою оцінки дійсних метрологічних параметрів і характеристик;
• проектування мікропроцесорної системи, розробка алгоритмічного і програмного забезпечення функціонування вимірювального приладу.

У алгоритм забезпечення передбачити методи і засоби для підвищення надійності метрологічного засобу виміру: періодичне усунення систематичної і мультиплікативної погрішності.

Список літератури:

1. Методи очищення вод від нітратів і нітриту [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://any-book.org/download/10875.html;

2. Нітрати і нітрит. Вплив на організм людини [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.prodobavki.com/modules.php?name=articles&article_id=96;

3. Абрамов Н. Н. Водопостачання. Підручник для внз. Видавництво 2-е, перераб. і доп. – Москва: Стройиздат, 1974. – 480 с.;

4. Лабораторне устаткування і прилади [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://ecochimie.md/index.php?option=com_content&view=article&id=1&Itemid=53&lang=ru

5. Компанія «Аніон» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.anion.nsk.su/

6. Компанія «СОЕКС» [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://soeks.ru/

7.Комплексна характеристика річки Кальміус [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://referat.ru/referats/view/23586

8. Нитратомер рХ-150.1МИ(Керівництво по експлуатації ГРБА.414318.002-01ФО)

9. Розробка іонометрічеськой методики [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.novedu.ru/buildion.htm

10. Клячков В.А., Апельцин И.Э. Очищення природних вод. М.: Стройиздат. 1971. – 579 с.;

11."Чим небезпечні нітрати" [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://free-referat.ru/referats/ekologia/id5227/page12/

12. Мидгли Д., Торренс К., аналіз "Потенціометра води", Світ, 1980.

Примітка: при написанні данного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та всі матеріалипо темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.