Способ скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений, к способам скрининг-анализа воздуха помещений и может быть применено для контроля качества воздушной среды после проведения ремонтных работ с применением современных строительных материалов (ССМ). Задачей изобретения является формирование матрицы сенсоров для скрининг-анализа воздуха помещения, загрязненного легколетучими соединениями ССМ, оптимизация условий работы полисенсорной матрицы, разработка алгоритма обработки сигналов сенсоров и принятие решения о безопасности воздуха помещения после ремонта. Сущность: формируют матрицу сенсоров на основе пленок апиезона-N, Тритона Х-100, пчелиного клея, модифицированного раствором Fe³⁺ (массовая доля Fe³⁺ 25%), полиэтиленгликольадипината с массами 10-20 мкг и используют определенный алгоритм регистрации сигналов с сенсоров. Технический результат изобретения обеспечивает возможность проводить анализ воздуха помещения, загрязненного легколетучими соединениями ССМ, в течение нескольких минут непосредственно в месте отбора проб: однозначно трактовать результаты анализа путем сравнения со стандартными “визуальными отпечатками” без сложных математических расчетов; устанавливать время начала безопасной эксплуатации помещения после проведения ремонтных работ с применением современных строительных материалов. 2 табл., 9 ил.

 

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений, к способам скрининг-анализа воздуха помещений и может быть применено для контроля качества воздушной среды после проведения ремонтных работ с использованием современных строительных материалов (ССМ).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ газохроматографического анализа воздуха помещений, загрязненного легколетучими компонентами ССМ / Зибарев П.В., Крупенников Р.Б. Газохроматографический анализ легколетучих соединений, выделяющихся из полимерных строительных материалов // Экология промышленного производства. - 2003. № 2. С.36-41.

Недостатком существующего способа является сложное аппаратурное оформление, длительность проведения анализа, необходимость предварительного концентрирования проб воздуха, потребность в высококвалифицированном персонале.

Техническая задача изобретения состоит в формировании матрицы сенсоров для скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха помещения после ремонта с применением ССМ, оптимизации условий работы полисенсорной матрицы, разработке алгоритма обработки сигналов сенсоров и принятии решения о безопасности воздуха отремонтированного помещения.

Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов, включающем отбор пробы воздуха, инжектирование в ячейку, детектирование компонентов газовой фазы и регистрацию аналитического сигнала, новым является то, что для детектирования компонентов газовой фазы строительных материалов формируют матрицу сенсоров на основе пленок апиезона-N, Тритона Х-100, пчелиного клея, модифицированного раствором Fe³⁺ (массовая доля Fe³⁺ 25%), и полиэтиленгликольадипината с массами 10-20 мкг, сигналы сенсоров считывают в соответствии с индивидуальными кинетическими параметрами сорбции определяемых веществ: опрос сенсора на основе апиезона-N проводят через 5 и 10 с после инжектирования пробы в ячейку; пчелиного клея, модифицированного Fе³⁺, - через 15, 20, 50 и 60 с; Тритона Х-100 - через 25, 30, 90, 100 и 120 с; полиэтиленгликольадипината - через 35, 40, 45, 60 и 80 с; объем газовой пробы 3 см³; по сигналам сенсоров строят "визуальные отпечатки" запаха и сравнивают их со стандартными.

Технический результат заключается в разработке способа скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха помещения легколетучими соединениями строительных материалов, который характеризуется экспрессностью, экономичностью, отсутствием дефицитных реактивов и вспомогательных устройств (фильтров, ротаметров, насосов, сосудов для концентрирования), проведением анализа без предварительного отбора и консервации пробы, портативностью установки и возможностью определения оптимального времени начала безопасной эксплуатации помещения после ремонта.

Способ скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов заключается в следующем.

Электроды пьезокварцевых резонаторов (ПКР) АТ-среза модифицируют активными сорбентами так, чтобы масса пленок после сушки составляла 10-20 мкг. Для модификации электродов ПКР применяют сорбенты, характеризующиеся перекрестной чувствительностью к парам аммиака, фенола, формальдегида и ацетона: апиезон-N, Тритон Х-100, пчелиный клей, который модифицируют раствором Fe³⁺ для повышения чувствительности пленки к аммиаку и фенолу, полиэтиленгликольадипинат (ПЭГА).

В качестве объекта анализа выбрано помещение после ремонтных работ с применением полимерных покрытий, используемых для отделки потолков, сухой строительной замазки и самоклеющейся пленки для облицовки древесно-волокнистых панелей. Согласно гигиеническим заключениям, в образцах анализа содержатся ацетон, аммиак, фенол и формальдегид, эмиссия которых в воздушную среду не превышает ПДК. Выбор образцов анализа обоснован их широким распространением в бытовом и промышленном строительстве, а также жесткими гигиеническими нормативами, регламентирующими их применение.

Пробу воздуха тестируемого помещения отбирают по методу дискретной газовой экстракции. Воздух прокачивают через шприц вместимостью 20 см³ и вводят в ячейку детектирования 3 см³ пробы без предварительного концентрирования. Соблюдение этих условий обеспечивает максимальный аналитический отклик сенсоров в матрице, высокую чувствительность и надежные метрологические характеристики анализа (табл.1).

Одновременно отбирают пробу воздуха в неотремонтированном помещении (проба сравнения). По сигналам сенсоров строят "визуальные отпечатки" запаха, которые сравнивают со стандартными (воздух помещения, в котором ремонтные работы не проводились), устанавливают качественный и количественный состав воздуха, время начала безопасной эксплуатации помещения после ремонта.

Сущность изобретения заключается в оценке уровня загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов путем сравнения уровня загрязнения воздуха тестируемого помещения со стандартом, а также в разработке алгоритма расчета оптимального времени начала безопасной эксплуатации помещения после ремонта. Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1 (заявляемый способ)

Объект анализа - помещение, в котором проводился ремонт с применением полимерных покрытий, используемых для отделки потолков, сухой строительной замазки и самоклеющейся пленки для облицовки древесно-волокнистых панелей. Согласно гигиеническим заключениям, во всех образцах анализа содержатся ацетон, аммиак, фенол и формальдегид, эмиссия которых в воздушную среду не превышает ПДК.

Электроды 4 пьезокварцевых резонаторов с собственной частотой 10 МГц модифицируют равномерным нанесением микрошприцем растворов сорбентов:

апиезона-N в хлороформе, пчелиного клея, послойно модифицированного раствором Fe³⁺ (массовая доля Fe³⁺ 25%) в этиловом спирте. Тритона X-100 и полиэтиленгликольадипината (ПЭГА) в ацетоне. Растворитель из пленки удаляют обжигом пьезоэлементов при температуре 50-60°С в течение 30 мин. Масса пленок сорбентов после удаления растворителей 10-20 мкг.

Равновесную газовую фазу воздуха тестируемого помещения отбирают через герметичный затвор шприцем вместимостью 20 см³ по стандартной методике (Хахенберг X.И., Шмидт А.И. Газохроматографический анализ равновесной паровой фазы. М.: Мир, 1979, 160 с.).

Отобранную равновесную газовую фазу объемом 3 см³ вводят в ячейку детектирования, в которой жестко закреплены модифицированные резонаторы. В соответствии с продолжительностью сорбции ацетона, аммиака, формальдегида и фенола на каждом сорбенте поочередно фиксируют аналитические сигналы - изменение частоты пьезокварцевого резонатора (AF_1-4, Гц) в следующем порядке: апиезон - N (оси на диаграммах "визуальных отпечатков" соответствуют номерам 1 и 2), пчелиный клей с (оси 3-6), Тритон X-100 (оси 7-11), ПЭГА (оси 12-16). Опрос сенсора на основе апиезона - N проводят в первые 10 с после инжектирования пробы в ячейку, пчелиного клея - через 15, 20, 50 и 60 с, Тритона X-100 - через 25, 30, 90, 100 и 120 с, ПЭГА - через 35, 40, 45, 70 и 80 с.

Сенсоры регенерируют в сушильном шкафу при температуре 40-50°С в течение 10-15 мин, охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры, затем применяют для дальнейших определений.

Далее разрабатывают алгоритм обработки сигналов сенсоров. По откликам AF_1-4 строят "визуальные отпечатки" запаха тестируемого объекта (воздух помещения, в котором проведены ремонтные работы с использованием строительной замазки, самоклеющейся пленки, полимерных материалов) и объекта сравнения (воздух коридора). Последовательность расположения осей в диаграмме соответствует времени опроса сенсоров - фиг.1 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения (воздух коридора), полученные по сигналам матрицы сенсоров с пленками пчелиного клея, модифицированного Fe³⁺ Тритона Х-100, ПЭГА и апиезона-N"; м_пл=10-20 мкг, объем вводимой пробы 3 см³; опрос апиезона-N проводят через 5 и 10 с после инжектирования пробы в ячейку, пчелиного клея - через 15, 20, 50 и 60 с, Тритона Х-100 - через 25, 30, 90, 100 и 120 с, ПЭГА - через 35, 40, 45, 70 и 80 с.

По геометрии диаграмм устанавливают соответствие составов равновесных газовых фаз тестируемого помещения и воздуха сравнения, постоянство состава фаз. Для этого сопоставляют геометрию "визуальных отпечатков" воздуха тестируемого помещения со стандартами, полученными в динамике, отбор проб проводят через 2 суток после ремонта, через 1 и 2 недели.

Затем по "визуальным отпечаткам" изучают кинетику выветривания ацетона, фенола, аммиака и формальдегида из воздуха. Для этого сопоставляют площади "визуальных отпечатков" воздуха тестируемого помещения со стандартами и устанавливают время, когда загрязнение воздуха тестируемого помещения соизмеримо с составом воздуха сравнения.

Площадь "визуальных отпечатков" рассчитывают по формуле (1):

где S - площадь треугольника, отн.ед.² (1 отн.ед.=1 Гц на "визуальном отпечатке"), р - полупериметр треугольника, отн.ед.

р=(а+в+с)/2,

где а, в, с - длины сторон треугольника, отн.ед.

По "визуальному отпечатку" нахождение численных значений возможно только по двум сторонам, длину третьей стороны вычисляют по формуле (2):

λ - угол между сторонами треугольника а и в;

16 - число осей на "визуальном отпечатке".

Сопоставляя площади "визуальных отпечатков" воздуха тестируемого помещения и помещения сравнения (воздух коридора), устанавливают время начала безопасной эксплуатации помещения после ремонта. Согласно фиг.2 время, в течение которого воздух тестируемого помещения достигает уровня загрязнения помещения сравнения, составляет 10 суток.

Разработанный алгоритм обработки сигналов сенсоров позволяет принимать решение о безопасности воздуха отремонтированного помещения. Способ осуществим, суммарная ошибка определения не превышает 10%.

Пример 2

Определение проводят, как описано в примере 1, увеличивают массу пленок на электродах ПКР до 25-35 мкг. Сенсоры экспонируют в парах воздуха тестируемого помещения в условиях, идентичных примеру 1. Построение "визуальных отпечатков" запаха легколетучих компонентов, присутствующих в газовой фазе тестируемого помещения, невозможно вследствие перегрузки резонатора и срыва автоколебаний. Способ неосуществим.

Пример 3

Определение проводят, как описано в примере 1, уменьшают массу пленок сорбентов до 2-10 мкг. Сенсоры экспонируют в парах тестируемого помещения в условиях, идентичных примеру 1. По сигналам сенсоров строят "визуальные отпечатки" запаха проб воздуха, содержащего легколетучие компоненты замазки, самоклеющейся пленки и полимерного материала. Идентификация отдельных летучих соединений невозможна вследствие низкой чувствительности сенсоров и идентичности "визуальных отпечатков" запаха для всех проб, фиг.3 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения, полученные по сигналам матрицы сенсоров с пленками пчелиного клея, Тритона Х-100, ПЭГА и апиезона-N"; м_пл=2-9,5 мкг. Способ неосуществим.

Пример 4

Определение проводят, как описано в примере 1, изменяют порядок регистрации сигналов. По сигналам сенсоров строят "визуальные отпечатки". Их сравнение не позволяет оценить динамику выветривания отдельных веществ и время начала безопасной эксплуатации помещения. Площадь "визуального отпечатка" воздуха тестируемого помещения не изменяется со временем, что не соответствует действительности (даже на уровне обоняния человека интенсивность запаха тестируемого помещения уменьшается), фиг.4 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения (воздух коридора), полученные по сигналам матрицы сенсоров с пленками пчелиного клея. Тритона Х-100, ПЭГА и апиезона-N"; м_пл=10-20 мкг, опрос сенсора на основе апиезона-N проводят через 5 и 10 с после инжектирования пробы в ячейку, пчелиного клея - через 30, 40, 60 и 70 с, Тритона X-100 - через 15, 20, 25, 35, 45, ПЭГА - через 50, 80, 90, 100 и 120 с. Способ неосуществим.

Пример 5

Определение проводят, как описано в примере 1, уменьшают объем пробы воздуха тестируемого помещения до 2 см³. При экспонировании сенсоров в парах тестируемого помещения получают низкие аналитические сигналы, непригодные для построения "визуальных отпечатков" запаха, их визуального сравнения, и суммарную ошибку 28%; фиг.5 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения (воздух коридора), полученные по сигналам матрицы сенсоров с пленками пчелиного клея, Тритона Х-100, ПЭГА и апиезона-N"; м_пл=10-20 мкг, объем пробы 2 см³. Способ неосуществим.

Пример 6

Определение проводят, как описано в примере 1, увеличивают объем пробы воздуха до 4 см³. При экспонировании сенсоров в парах тестируемого помещения отклики сенсоров равновелики откликам, полученным при объеме пробы 3 см³. Увеличение объема пробы нецелесообразно вследствие возрастания ошибки на стадии пробоотбора и снижения надежности определения (ошибка определения 30%), фиг 6 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения (воздух коридора), полученные по сигналам матрицы сенсоров с пленками пчелиного клея. Тритона Х-100, ПЭГА и апиезона-N"; м_пл=10-20 мкг, объем вводимой пробы 4 см³. Способ осуществим.

Пример 7

Определение проводят, как описано в примере 1, применяют матрицу из 4 сенсоров на основе полиэтиленгликоля ПЭГ-2000 (наибольшее сродство к формальдегиду), поливинилпирролидона (ацетон), пчелиного воска (аммиак), 4-аминоантипирина (фенол). Полученные результаты не позволяют детектировать компоненты газовой смеси, фиг.7 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения, полученные по сигналам матрицы сенсоров с пленками полиэтиленгликоля ПЭГ-2000, поливинилпироллидона, пчелиного воска, 4-аминоантипирина"; м_пл=10-20 мкг, объем пробы 3 см³, порядок опроса аналогичен фиг.1. Способ неосуществим.

Пример 8

Определение проводят, как описано в примере 1, применяют матрицу из 5 сенсоров на основе апиезона-N, Тритона X-100, пчелиного клея, ПЭГА и полифенилметилсиликонового масла. Отклики сенсоров, полученные при экспонировании воздуха тестируемого помещения, значительно меньше откликов, полученных на этих же сорбентах без введения в матрицу полифенилметилсиликонового масла. Визуальное сравнение диаграмм запаха проб воздуха, содержащего легколетучие компоненты замазки, самоклеющейся пленки и полимерного материала, не позволяет идентифицировать соединения, присутствующие в газовой фазе, фиг.8 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения (воздух коридора), полученные по сигналам матрицы сенсоров на пленках пчелиного клея, апиезона-N, Тритона Х-100, ПЭГА и полифенилметилсиликонового масла"; м_пл=10-20 мкг, объем вводимой пробы 3 см³, порядок опроса аналогичен фиг.1. Способ неосуществим.

Пример 9

Определение проводят, как описано в примере 1, применяют матрицу из 3 сенсоров на основе пленок апиезона-N, Тритона X-100 и пчелиного клея. По сигналам сенсоров в матрице строят "визуальные отпечатки" запаха воздуха тестируемого помещения. Сравнение "визуальных отпечатков" запаха проб воздуха, содержащего легколетучие компоненты замазки, самоклеющейся пленки и полимерного материала, не позволяет идентифицировать соединения, присутствующие в воздухе тестируемого помещения, вследствие одинаковой чувствительности сенсоров ко всем веществам и суммарной погрешности определения 34%, фиг.9 - "Визуальные отпечатки воздуха тестируемого помещения и объекта сравнения (воздух коридора), полученные по сигналам матрицы сенсоров на пленках пчелиного клея, модифицированного Fe³⁺ апиезона-N, Тритона Х-100"; м_пл=10-20 мкг, объем пробы 3 см³, порядок опроса аналогичен фиг.1. Способ неосуществим.

Из примеров 1-9, фиг.1-9 и табл.1, 2 следует, что заявляемое решение может быть осуществлено с применением матрицы из 4 сенсоров, модифицированных пленками сорбентов с массой 10-20 мкг. Сигналы сенсоров фиксируются в следующей последовательности: опрос апиезона-N проводят через 5 и 10 с после инжектирования пробы в ячейку, пчелиного клея - через 15, 20, 50 и 60 с, Тритона Х-100 - через 25, 30, 90, 100 и 120 с, ПЭГА - через 35, 40, 45, 70 и 80 с. Объем вводимой пробы 3 см³. Увеличение (пример 2) и уменьшение (пример 3) массы пленки приводит к перегрузке резонатора, срыву автоколебаний и низкой чувствительности сенсоров. Изменение порядка опроса сенсоров (пример 4) и нанесение других сорбентов (пример 7) не позволяют идентифицировать соединения, присутствующие в воздухе тестируемого помещения и определить время начала безопасной эксплуатации помещения после ремонта. Увеличение (пример 8) и уменьшение (пример 9) числа сенсоров в матрице приводят к невозможности осуществления способа, увеличение (пример 6) и уменьшение (пример 5) объема вводимой пробы приводят к снижению метрологической надежности способа.

Таким образом, предложенная матрица сенсоров для скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: возможность анализа воздуха помещения, загрязненного легколетучими соединениями строительных материалов в течение нескольких минут (не более 2 мин); отсутствие дорогостоящего оборудования; возможность анализа в режиме реального времени непосредственно в месте отбора проб; однозначность трактовки результатов определения путем сравнения со стандартными "визуальными отпечатками" без сложных математических расчетов (на основе базы данных по "визуальным отпечаткам" для различных образцов строительных материалов); возможность установления времени начала безопасной эксплуатации помещения после ремонтных работ с применением современных строительных материалов (на основе алгоритма обработки сигналов сенсоров).

Способ скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов

Таблица 1 Примеры осуществления способа
Номер примера	Суммарная ошибка определения Δ, %	Общее время анализа, с	Реализация способа
1	8,7	120	осуществим
2	-*	-*	неосуществим
3	10,2	160	неосуществим
4	11,8	120	неосуществим
5	28,0	150	неосуществим
6	30,0	150	осуществим
7	36,0	340	неосуществим
8	26,3	180	неосуществим
9	34,8	120	неосуществим
- *-определение невозможно вследствие срыва автоколебаний резонатора.
Таблица 2 Сравнение осуществления способов по прототипу и заявляемому решению
Параметры	Прототип	Заявляемый способ
вспомогательное оборудование	требуется	не требуется
объем пробы воздуха для анализа	3-4 дм3	3 см3
предварительное концентрированно пробы	требуется	не требуется
общее время анализа, с	2700	120

Способ скрининг-оценки уровня загрязнения воздуха легколетучими соединениями строительных материалов, включающий отбор пробы воздуха, инжектирование в ячейку, детектирование компонентов газовой фазы и регистрацию аналитического сигнала, отличающийся тем, что для детектирования основных компонентов газовой фазы строительных материалов формируют матрицу сенсоров на основе пленок апиезона-N, Тритона Х-100, пчелиного клея, модифицированного раствором Fe³⁺ с массовой долей Fe³⁺ 25% и полиэтиленгликольадипината с массами 10-20 мкг, сигналы сенсоров считывают в соответствии с индивидуальными кинетическими параметрами сорбции определяемых веществ: опрос сенсора на основе апиезона-N проводят через 5 и 10 с после инжектирования пробы в ячейку, пчелиного клея - через 15, 20, 50 и 60 с, Тритона Х-100 - через 25, 30, 90, 100 и 120 с, полиэтиленгликольадипината - через 35, 40, 45, 70 и 80 с; объем газовой пробы 3 см³; по сигналам сенсоров строят “визуальные отпечатки” запаха и сравнивают их со стандартными.