CC BY
48
УДК 550.8
Е.В. Карташов, М.Н. Балдин, В.М. Грузное ИНГГ СО РАН, Новосибирск
СВОЙСТВА ПАССИВНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ НА ОСНОВЕ SE-30 НА СТЕКЛЯННЫХ ТРУБКАХ
E.V. Kartashov, M.N. Baldin, V.M. Gruznov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS
Acad. Koptyug av., 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
THE CHARACTERISTICS OF PASSIVE CONCENTRATORS ON GLASS TUBE COATED WITH SE-30
The passive concentrators are based on sorptions of balanced concentration of the vapours in under investigation environment. The passive concentrators do not require the presences of an operator upon sampling. It is enough to place the concentrator into investigation environment for a while.
Актуальной задачей является создание пассивных концентраторов для геохимической съемки при поиске залежей нефти и газа. Пассивные концентраторы (ПК) предназначены для сорбции равновесной концентрации паров в исследуемой среде. ПК не требуют присутствия оператора при проведении пробоотбора. Концентратор достаточно поместить в исследуемую среду на некоторое время.
Назовем коэффициентом обогащения (КО) отношение амплитуд хроматографических пиков исследуемого вещества: полученного с концентратора к амплитуде пика, полученного при прямом вводе объема воздуха.
Основные характеристики ПК это КО, зависимость КО от температуры. В работе для пассивного концентрирования использованы трубки с
сорбционным слоем на
внутренней поверхности. Такая конструкция дает возможность манипуляции с концентратором без боязни контакта с сорбционным слоем и обеспечивает свободный диффузионный доступ сорбирующихся веществ ко всей его поверхности.
Сорбционный слой должен обладать достаточной сорбционной емкостью к исследуемым веществам и обратимой десорбцией. Наиболее
Рис. 1. Пассивные концентраторы
привлекательными из известных пассивных концентраторов являются концентраторы на основе полисилоксановых пленок (например, SE-30). Такие концентраторы успешно применяются для анализов загрязнений на улицах городов. Привлекательность таких концентраторов обусловлена еще и тем, что силиконы устойчивы на воздухе при температурах до 230 оС. Образцы концентраторов разработаны и изготовлены Институтом катализа СО РАН.
Для получения информации о концентрации углеводородов с помощью пассивных концентраторов необходимо знать коэффициент обогащения концентратора при его насыщении.
Были определены следующие условия:
- Концентраторы насыщаются через 2.5 часа после помещения их в исследуемую среду при нормальных условиях;
- Температура десорбции 200оС, с 8 секундным предварительным прогревом концентратора и длительностью ввода пробы с концентратора 0,8 сек.
Для определения коэффициента обогащения каждого индивидуального концентратора и определения температурной зависимости коэффициентов обогащения была разработана и изготовлена установка для получения микроконцентраций ароматических соединений. Схема установки представлена на рис. 2.
ИМ - источники микропотоков Фильтр Т. О. - фильтр тонкой очистки
Рис. 2. Установка для получения микроконцентраций ароматических соединений с термостатом для исследования зависимости коэффициента обогащения концентраторов от температуры
Безмасляный компрессор создает рабочее давление 8 атм., далее воздух очищается последовательно тремя фильтрами: фильтром "Фесто" (технология качающейся адсорбции), фильтром осушителем и фильтром тонкой очистки. Очищенный воздух через стабилизаторы расхода подается в термостаты, куда помещаются аттестованные источники микропотоков (ИМ) ароматических углеводородов. Одновременно можно создавать четыре газовых потока с разными веществами. Четыре термостата (точность установки и регулировки температуры не хуже 0,1оС) с ИМ и стабилизаторами расхода размещаются в одном корпусе ( и все называется "Микрогаз").
Объемные скорости потоков измерялись аттестованным расходомером "Bronkhorst EL-Flow F-111B". Концентрация вещества в воздухе определяется скоростью (производительностью) газовыделения ИМ, деленной на объемную скорость воздуха, протекающего через термостат "Микрогаза".
В табл. 1 приведены данные ИМ.
Таблица 1
Условное обозначение исполнения ИМ Вещество Формула Номинальное значение температуры (Тн), оС Производител ьность ^н) при температуре Тн , мкг/мин Пределы допускаемой относительной погрешности, %
ИМ14-М-А2 Бензол С6Н6 55,0 0,128 ± 7
ИМ45-М-А2 Толуол С6Н5 СН3 55,0 0,136 ± 7
ИМ66-М-А2 Этилбензол С6Н5 С2Н5 80.0 0,59 ± 7
ИМ34-М-А2 Н-ксилол С6Н4 (СН3)2 55,0 0,133 ± 7
Изменяя скорости потоков "Микрогаза" можно получать различные концентрации ароматических углеводородов в воздухе.
Измерение коэффициентов обогащения концентраторов и зависимости его от температуры проводилось следующим образом:
концентраторы помещались в стеклянную ампулу объемом 50 мл, которая размещалась в термостате (точность установки и регулировки температуры не хуже 0.1оС). Для получения в термостате температур ниже комнатной и отрицательных температур термостат располагался либо в холодильнике, либо в морозильной камере.
В ампулу непрерывно поступает поток воздуха содержащий ароматические углеводороды. В ампулу можно дозировать как индивидуальные углеводороды, так и смешанные в любом сочетании (потоки воздуха из термостатов "Микрогаза" смешиваются и затем подаются в ампулу к концентраторам). Потоки воздуха из "Микрогаза" поступают непрерывно -концентрации индивидуальных углеводородов в стеклянной ампуле постоянны и не зависят от температуры ампулы, что подтверждается прямыми измерениями концентраций бензола, толуола, этилбензола, п-
ксилола на выходе из ампулы (в анализатор с помощью шприца вводится воздух из ампулы).
Концентраторы выдерживались в ампулах не менее 4,5 часов до полного насыщения. Затем концентраторы вынимались из колбы и анализировались отобранные вещества. Отношение полученной амплитуды пика, например, бензола к амплитуде пика бензола при прямом вводе анализируемого воздуха и есть коэффициент обогащения концентратора по бензолу.
При температуре 23оС было проанализировано 200 концентраторов с целью определения коэффициентов обогащения по бензолу, толуолу, ксилолу.
На рис. 3 представлена гистограмма распределения коэффициентов обогащения по бензолу для 200 концентраторов.
50 45 40 35
30
25
о
20 т
1і5
о 10
5
0
4 5 6 7 8 9 1011 1213141516171819
КО
БЕ-ЭО, бензол
1-1
П
П 1-І п П п п П
Рис. 3. Гистограмма коэффициентов обогащения концентраторов (ОК) на основе толстых полисилоксановых пленок ^Е-30)
Из рис. 3 видно, что наиболее часто получаются концентраторы с коэффициентом обогащения по бензолу 6 -8 . Гораздо реже - концентраторы с коэффициентом обогащения более 10. Коэффициенты обогащения концентраторов определяются только объемом силикона нанесенного на внутреннюю поверхность трубки. Максимальный выход концентраторов при существующей технологии приходится на толщину пленок порядка 90 - 100 мкм, что было подтверждении прямым измерениями толщины пленки.
Измерения коэффициентов обогащения для бензола, толуола, «-ксилола, о-ксилола показали, что отношение коэффициентов обогащение для этих веществ для различных концентраторов одно и тоже. Достаточно для индивидуального концентратора измерить коэффициент обогащения для любого вещества коэффициенты обогащения для других веществ находятся
простым умножением или делением на соответствующий коэффициент. Коэффициенты обогащения по бензолу, толуолу, «-ксилолу, о-ксилолу относятся как 1 : 3,4 : 19,1 : 26,3 соответственно.
Каждый концентратор с определенным коэффициентом обогащения для бензола помещается в индивидуальный контейнер для хранения и переноски концентраторов и на стенке контейнера наносится соответствующий концентратору коэффициент обогащения по бензолу.
На рис. 4 представлена типичная зависимость коэффициента обогащения для о-ксилола от температуры.
Рисунок 4. Зависимость коэффициента обогащения концентраторов на основе толстых полисилоксановых пленок (SE-30) от температуры для ортоксилола
Из рис. 4 видно, что коэффициент обогащения экспоненциально зависит от обратной величины температуры. Поэтому при осуществлении измерений концентраций ароматических углеводородов необходимо учитывать температуру среды пробоотбора.
© Е.В. Карташов, М.Н. Балдин, В.М. Грузное, 2009
