Установка для получения водного конденсата из воздуха и способ концентрирования примесей из воздуха, осуществляемый на этой установке

Группа изобретений относится к получению водного конденсата из воздуха и способу концентрирования примесей из воздуха, которые могут быть использованы для высокочувствительного определения примесей в воздухе при проведении экологических исследований. Установка содержит концентратор 1, погруженный в сосуд Дьюара 5 с жидким азотом 8. Концентратор 1 выполнен в виде трубки с краном 2, с входным отверстием 3 для забора воздуха, с емкостью 6 для конденсации жидкого воздуха, с приемником 7 водного конденсата, с изолирующей прокладкой 4. При этом концентратор 1 установлен в сосуде Дьюара 5 через отверстие в изолирующей прокладке 4 таким образом, чтобы емкость 6 для конденсации жидкого воздуха была погружена в жидкий азот 8. Получение водного конденсата из воздуха осуществляют с помощью установки. Получают водный конденсат из воздуха путем забора воздуха и его конденсации при охлаждении жидким азотом. Испаряют жидкий воздух до получения замороженного водного конденсата. Производят плавление замороженного водного конденсата. Вводят в водный конденсат экстрагент в диспергенте и проводят микроэкстракцию примесей из водного конденсата. Производят расслоение эмульсии экстракта, образовавшейся в водном конденсате, путем ее центрифугирования с получением фазы экстракта. Определяют коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт К_экстр и интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт К_инт. Отбирают фазы экстракта и проводят анализ полученного экстракта. Коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт К_экстр получают по формуле: К_экстр=1/(D^-1+V_э/V_вод, где D - коэффициент распределения примеси в системе экстрагент-вода, V_э - объем фазы экстрагента, V_вод - объем водного конденсата. Расчет интегрального коэффициента концентрирования К_инт примесей из воздуха в экстракт осуществляют по формуле: К_инт=К_вконд⋅К_экстр, где К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт, К_вконд - коэффициент концентрирования из воздуха в водный конденсат, К_экстр - коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт. Предварительно определяют необходимый объем жидкого воздуха V_жвозд для получения необходимого количества водного конденсата по формуле: V_жвозд=(V_вод⋅ρ_вод)/(F⋅ρ_жвозд), где V_жвозд - объем жидкого воздуха; V_вод - объем водного конденсата, необходимый для проведения экстракции/микроэкстракции; ρ_вод - плотность воды при температуре проведения экстракции; F - содержание атмосферной влаги (в ед. массы) в единице массы отбираемого воздуха; ρ_жвозд - плотность жидкого воздуха при температуре проведения конденсации воздуха. Дополнительно осуществляют получение жидкого воздуха путем его конденсации в емкости для конденсации жидкого воздуха, испарение сконденсированного жидкого воздуха в емкости для конденсации жидкого воздуха, извлечение водного конденсата из приемника водного конденсата. Рассчитывают концентрации определяемых веществ в воздухе по формуле: С_возд=С_экстр/К_инт, С_возд - концентрация определяемого вещества в анализируемом воздухе (масс. %), С_экстр - концентрация определяемого вещества в экстракте (масс. %), К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт. Обеспечивается повышение чувствительности анализа, снижение пределов обнаружения примесей в воздухе. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Предлагаемая группа изобретений относится к области химии и физики, к исследованию или анализу материалов путем определения их химических или физических свойств, касается установки для получения водного конденсата из воздуха и способа концентрирования примесей из воздуха, которые могут быть использованы для высокочувствительного определения примесей в воздухе, например, при проведении экологических исследований.

Известен способ хроматографического определения концентрации примесей в газах (SU 1442907 A1, кл. G01N 30/08, опубл. 07.12.1988 г.), включающий концентрирование примесей в предварительной колонке путем конденсации в ней всего анализируемого газа. Перед вводом сконцентрированных примесей проводят фракционирование при помощи вакуумирования при той же самой температуре, что и концентрирование. При этом происходит удаление основного компонента от примесей, а затем проводят определение примесей в хроматографе. Способ обеспечивает повышение чувствительности и точности определения концентрации примесей.

Недостатком способа является сложность реализации из-за необходимости использования насадочных колонок. Сочетание предлагаемого способа концентрирования с современными капиллярными колонками является затруднительным, что отрицательно сказывается на экспрессности анализа, эффективности хроматографического разделения, чувствительности определения.

Известен способ [K.Н. Chiu et al. Differential optical absorption spectrometer measurement of NO₂, SO₂, O₃, HCHO and aromatic volatile organics inambient air of Kaohsiung Petroleum Refinery in Taiwan / Atmospheric Environment. 2005. V. 39. P. 941-955] прямого определения бензола и его гомологов (толуола, этилбензола, ксилолов), а также формальдегида, озона, оксидов серы и азота с помощью дифференциальной абсорбционной УФ-спектроскопии, который состоит в том, что через слой анализируемого воздуха пропускается УФ-излучение, а сигналом, по которому судят о содержании вещества, является поглощение УФ-излучения определенной длины волны. При этом источник УФ-излучения находится от детектора излучения на расстоянии 250 м. Недостатком данного способа является отсутствие концентрирования примесей из воздуха и большие геометрические размеры установки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой группе изобретений является установка и способ конденсационного концентрирования ароматических углеводородов из воздуха, известный из статьи В.А. Крылова, П.В. Мосягина «Применение атмосферной влаги в конденсационном концентрировании бензола и его гомологов для их хромато-масс-спектрометрического определения в воздухе», опубликованной в журнале «Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского», 2012, №3 (1), с. 92-98, принятые за ближайший аналог (прототип).

Установка по прототипу представляет собой проточный концентратор, выполненный из 4 U-образных трубок с выступами на внутренней поверхности, погруженных в сосуд Дьюара. Способ по прототипу включает конденсацию атмосферной влаги в виде инея во входном колене концентратора, аспирирование анализируемого воздуха через концентратор в течение 1-2 часов, частичное извлечение концентратора из сосуда Дьюара, оттаивание льда и извлечение талой воды со льдом в центрифужную пробирку. Для извлечения примесей из водного конденсата (талой воды) используют микроэкстракцию с диспергированием экстрагента. Образовавшуюся эмульсию разрушают в центрифуге в течение 3 минут. Осевший в кончике центрифужной пробирки экстракт отбирают микрошприцем и вводят в испаритель хроматографа.

Преимуществами и общими признаком с предлагаемой группой изобретений является использование атмосферной влаги в качестве естественного коллектора примесей из воздуха, а также применение жидкого азота в качестве охлаждающего воздух агента.

Однако прототип не лишен недостатков: во-первых, прототип требует дополнительное устройство для прокачивания воздуха - аспиратор;

во-вторых, при проведении аспирирования потока анализируемого воздуха через U-образные трубки из анализируемого воздуха извлекается только часть примесей, содержащихся в анализируемом воздухе.

Задачей группы изобретений является создание новой установки для получения водного конденсата из воздуха и нового способа концентрирования примесей из воздуха, осуществляемого с помощью этой установки.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение чувствительности анализа, снижение пределов обнаружения примесей в воздухе.

Поставленная задача достигается тем, что в установке для получения водного конденсата из воздуха, содержащей концентратор, погруженный в сосуд Дьюара с жидким азотом, согласно изобретению концентратор выполнен в виде трубки с краном, с входным отверстием для забора воздуха, с емкостью для конденсации жидкого воздуха, с приемником водного конденсата, с изолирующей прокладкой, при этом концентратор установлен в сосуде Дьюара через отверстие в изолирующей прокладке таким образом, чтобы емкость для конденсации жидкого воздуха была погружена в жидкий азот; приемник водного конденсата выполнен в виде бокового отвода, сформированного на трубке; приемник водного конденсата выполнен в виде суженной выступающей части, сформированной на нижней поверхности емкости для конденсации жидкого воздуха; приемник водного конденсата выполнен съемным.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе, включающем получение водного конденсата из воздуха путем забора воздуха и конденсации воздуха при охлаждении жидким азотом, испарения жидкого воздуха до получения замороженного водного конденсата, плавление замороженного водного конденсата, введение в водный конденсат экстрагента в диспергенте, проведение микроэкстракции примесей из водного конденсата, расслоение эмульсии экстракта, образовавшейся в водном конденсате, путем ее центрифугирования, получение фазы экстракта, определение коэффициента концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт К_экстр и интегрального коэффициента концентрирования примесей из воздуха в экстракт К_инт, отбор фазы экстракта, проведение анализа полученного экстракта, согласно изобретению получение водного конденсата из воздуха осуществляют с помощью установки по пп. 1-3, определение коэффициента концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт К_экстр осуществляют по формуле:

К_экстр=1/(D^-1+V_э/V_вод),

где

D - коэффициент распределения примеси в системе экстрагент-вода,

V_э - объем фазы экстрагента,

V_вод - объем водного конденсата,

расчет интегрального коэффициента концентрирования К_инт примесей из воздуха в экстракт осуществляют по формуле:

К_инт=К_вконд⋅К_экстр,

где

К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт,

К_вконд - коэффициент концентрирования из воздуха в водный конденсат,

К_экст - коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт,

при этом предварительно определяют необходимый объем жидкого воздуха V_жвозд для получения необходимого количества водного конденсата по формуле:

V_жвозд=(V_вод⋅ρ_вод)/(F⋅ρ_жвозд),

где

V_жвозд - объем жидкого воздуха;

V_вод - объем водного конденсата, необходимый для проведения экстракции/микроэкстракции;

ρ_вод - плотность воды при температуре проведения экстракции;

F - содержание атмосферной влаги (в ед. массы) в единице массы отбираемого воздуха;

ρ_жвозд - плотность жидкого воздуха при температуре проведения конденсации воздуха, дополнительно осуществляют получение жидкого воздуха путем его конденсации в емкости для конденсации жидкого воздуха, испарение сконденсированного жидкого воздуха в емкости для конденсации жидкого воздуха, извлечение водного конденсата из приемника водного конденсата, рассчитывают концентрации определяемых веществ в воздухе по формуле:

C_возд=C_экстр/К_инт,

где

C_возд - концентрация определяемого вещества в анализируемом воздухе (масс. %),

C_экстр - концентрация определяемого вещества в экстракте (масс. %),

К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт; проведение микроэкстракции водного конденсата путем диспергирования экстрагента в объеме анализируемого водного конденсата с помощью ультразвукового облучения; испарение сконденсированного жидкого воздуха осуществляют путем медленного извлечения концентратора из жидкого азота со скоростью 10^-3 мг/(с⋅см²), исключающей унос аэрозольных частиц замороженной воды и примесей воздуха; количество извлекаемого водного конденсата должно соответствовать объему емкости для проведения микроэкстракции; отношение объема водного конденсата к объему экстрагента должно быть более десяти; осуществляют хроматографический или хромато-масс-спектрометрический анализ экстракта.

На фиг. 1 представлен схематический рисунок установки для получения водного конденсата из воздуха.

На фиг. 2 представлен график зависимости эффективности выделения фазы экстракта от времени проведения центрифугирования.

На фиг. 3 представлены графики зависимости коэффициента концентрирования примесей от времени ультразвукового облучения на примере следующих веществ: I - диметилфталат; II - диэтилфталат; III - дибутилфталат; IV - диизооктилфталат: V - динонилфталат.

В таблице 1 представлены коэффициенты концентрирования различных веществ из воздуха, определенные с помощью предлагаемого способа на предлагаемой установке. Конструктивно установка на фиг. 1 содержит:

1 - концентратор,

2 - кран,

3 - входное отверстие для забора воздуха,

4 - изоляционная прокладка,

5 - сосуд Дьюара,

6 - емкость для конденсации жидкого воздуха,

7 - приемник водного конденсата,

8 - жидкий азот.

Концентратор 1 выполнен в виде трубки, на которой сформированы: входное отверстие для забора воздуха 3, емкость для конденсации жидкого воздуха 6, приемник водного конденсата 7.

Кран 2 выполнен в верхней части концентратора 1, емкость для конденсации жидкого воздуха 6 выполнена в нижней части концентратора 1.

Концентратор 1 установлен в сосуде Дьюара 5 через отверстие в изоляционной прокладке 4 таким образом, чтобы емкость для конденсации жидкого воздуха 7 была погружена в жидкий азот 8.

Приемник водного конденсата 7 может быть выполнен либо в виде трубки с запаянным дном, сопряженной с нижней поверхностью емкости для конденсации жидкого воздуха 6, либо в виде бокового отвода с запаянным дном, сформированного на трубке концентратора 1.

Приемник водного конденсата 7 может быть выполнен съемным. Например, приемник водного конденсата может быть соединен с емкостью для конденсации жидкого воздуха 6, или с трубкой концентратора 1 с помощью притирающихся поверхностей, или через прокладки.

Предлагаемый способ с помощью предлагаемой установки осуществляют следующим образом.

Предварительно определяют необходимый объем жидкого воздуха V_жвозд для получения необходимого количества водного конденсата по формуле:

V_жвозд=(V_вод⋅ρ_вод)/(F⋅ρ_жвозд),

где

V_жвозд - объем жидкого воздуха;

V_вод - объем водного конденсата, необходимый для проведения экстракции/микроэкстракции;

ρ_вод - плотность воды при температуре проведения экстракции;

F - содержание атмосферной влаги в единице массы отбираемого воздуха;

ρ_жвозд - плотность жидкого воздуха при температуре проведения конденсации воздуха.

Проводят криогенное конденсационное концентрирование примесей из воздуха с помощью концентратора 1. Для этого концентратор 1 погружают в сосуд Дьюара 5 с жидким азотом 8 и открывают кран 2. Анализируемый воздух поступает в емкость 6 через входное отверстие 3. При этом в емкости для конденсации жидкого воздуха 6 концентратора происходит конденсация воздуха. Конденсацию продолжают до тех пор, пока объем жидкого воздуха не достигнет значения V_жвозд.

Когда объем жидкого воздуха достигает значения V_жвозд, проводят испарение сконденсированного воздуха путем медленного извлечения емкости для конденсации жидкого воздуха 6 из жидкого азота со скоростью, исключающей унос аэрозольных частиц замороженной воды и примесей воздуха. Испаряющийся жидкий воздух удаляется из емкости 6 через входное отверстие 3. После полного испарения жидкого воздуха закрывают кран 2.

Далее концентратор 1 вынимают из сосуда Дьюара и проводят плавление замороженной воды, образовавшейся в емкости для конденсации жидкого воздуха 6.

Полученную таким образом талую воду (водный конденсат) переливают в приемник для водного конденсата 7. Приемник для водного конденсата 7 отсоединяют от емкости для конденсации жидкого воздуха 6 или концентратора 1. Водный конденсат переносят в емкость для проведения микроэкстракции примесей.

Микроэкстракцию примесей проводят путем диспергирования экстрагента в объеме анализируемого водного конденсата. Диспергирование проводят с помощью ультразвукового облучения емкости для проведения микроэкстракции, содержащей водный конденсат при одновременном введении экстрагента и/или раствора экстрагента в диспергенте.

Для разрушения образовавшейся эмульсии экстракта в водном конденсате и агрегирования фазы экстракта используют центрифугирование данной эмульсии. Отношение объема водного конденсата к объему экстрагента должно быть более десяти.

Далее проводят анализ экстракта любым методом, позволяющим определять искомые вещества в выбранном растворителе.

Расчет коэффициента концентрирования К_вконд определяют выражением:

К_вконд=С_вод/С_возд=1/F,

где

С_вод - концентрация примеси в водном конденсате, масс. %;

С_возд - концентрация примеси в воздухе, масс. %;

F - содержание атмосферной влаги в единице массы отбираемого воздуха.

Концентрирование примесей на стадии микроэкстракции определяется коэффициентом концентрирования К_экстр примесей из водного конденсата в экстракт. Величина К_экстр выражается формулой:

К_экстр=1/(D^-1+V_э/V_вод),

где

D - коэффициент распределения примеси в системе экстрагент-вода;

V_э - объем фазы экстрагента, мл;

V_вод - объем водного конденсата, мл.

Как видно из данной формулы, для увеличения К_экстр необходимо снижать отношение объемов фаз экстрагента и водного конденсата V_э/V_вод, что возможно при использовании жидкофазной микроэкстракции.

Интегральный коэффициент концентрирования К_инт примесей из воздуха в экстракт является произведением коэффициента концентрирования К_вконд примесей из воздуха в водный конденсат и коэффициента концентрирования К_экстр примесей из водного конденсата в экстракт:

К_инт=К_вконд⋅К_экстр,

где

К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт,

К_вконд - коэффициент концентрирования из воздуха в водный конденсат,

К_экстр - коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт.

Таким образом достигается значительное снижение предела обнаружения примесей:

C_min=C_{min, direct}/К_инт,

C_min - предел обнаружения примесей при использовании данного способа концентрирования;

C_{min, direct} - прямой предел обнаружения примесей (без концентрирования);

К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт.

Осуществление предлагаемого способа концентрирования примесей из воздуха с помощью предлагаемой установки, наличие стадии образования жидкого воздуха за счет снижения температуры охлаждения анализируемого воздуха и последующее испарение жидкого воздуха обеспечивают увеличение коэффициента концентрирования примесей из воздуха в водный конденсат К_вконд, способствуют повышению чувствительности анализа, снижению пределов обнаружения примесей в воздухе. Также повышению чувствительности анализа, снижению пределов обнаружения примесей в воздухе способствует стадия жидкофазной микроэкстракции определяемых примесей из водного конденсата в экстракт. Это достигается благодаря концентрированию определяемых примесей из водного конденсата в экстракт, то есть достижению высоких коэффициентов концентрирования из водного конденсата в экстракт К_экстр вследствие увеличения отношения объема водной фазы V_вод к объему фазы экстрагента V_э в соответствии с выражением:

К_экстр=1/(D^-1+V_э/V_вод),

где

D - коэффициент распределения примеси в системе экстрагент-вода;

V_э - объем фазы экстрагента, мл;

V_вод - объем водного конденсата, мл.

Ниже приведены примеры конкретного использования предлагаемого способа на предлагаемой установке.

Пример 1

Концентрирование из воздуха токсиканта из класса ароматических углеводородов (бензола). Температура анализируемого воздуха +20°С, относительная влажность 75%. В этих условиях, согласно справочным данным, абсолютная влажность воздуха составляет 11,4 г воды на 1 кг воздуха (0,0114 г воды на 1 г воздуха). Плотность жидкого воздуха при температуре конденсации 0,94 г/мл. Для проведения последующего микроэкстракционного концентрирования необходимо 5 мл водного конденсата. Вода при температуре микроэкстракции (+20°C) имеет плотность 0,9988 г/мл. Тогда объем жидкого воздуха, который необходимо сконденсировать в концентраторе, находят следующим образом:

V_жвозд=(5⋅0,9988)/(0,0114⋅0,94)=466 мл.

Коэффициент концентрирования примесей из воздуха в водный конденсат составит:

К_вконд=1/F=1/0,0114=87.

Далее проводят испарение жидкого воздуха со скоростью 10^-3 мг/(с⋅см²), исключающей потерю примесей вследствие их уноса в виде аэрозольных частиц. Затем проводят плавление закристаллизованной воды и извлечение 5 мл водного конденсата. Затем 5 мл водного водного конденсата переливают в центрифужную пробирку с вытянутой книзу частью. В водный конденсат, находящийся в центрифужной пробирке, вводят микрошприцем 10 мкл экстрагента (четыреххлористого углерода высокой степени чистоты) при одновременном воздействии ультразвуком на центрифужную пробирку с раствором. Частота ультразвукового излучения 42 кГц, мощность 35-60 Вт, время воздействия ультразвуком 2 мин. Затем, образовавшуюся под действием ультразвука эмульсию четыреххлористого углерода в водном конденсате разрушают центрифугированием в течение 5 минут при скорости вращения ротора центрифуги 6000 об/мин. В вытянутой нижней части центрифужной пробирки выделяется в фазу 5 мкл экстракта. Тогда, с учетом справочного значения коэффицента распределения бензола D=215 в системе вода - четыреххлористый углерод, коэффициент концентрирования бензола из водного конденсата в экстракт составит:

К_экстр=1/((240)^-1+5⋅10^-3/5)=192

Тогда интегральный коэффициент концентрирования К_инт бензола из воздуха в экстракт составит:

К_инт=87⋅192=16704,

Тогда, при концентрации бензола в экстракте 1,7⋅10^-4 масс. %, концентрация бензола в воздухе (1,7⋅10^-4 масс. %)/16704=1⋅10^-8 масс. %.

Таким образом, чувствительность определения бензола в воздухе с использованием данного способа концентрирования примесей из воздуха увеличилась в 16704 раз, а предел обнаружения примесей C_min понизился на четыре порядка по сравнению с прямым пределом обнаружения примесей (без концентрирования) C_{min, direct} согласно формуле:

С_min=C_{min, direct}/К_инт,

C_min - предел обнаружения примесей при использовании данного способа концентрирования;

C_{min, direct} - прямой предел обнаружения примесей (без концентрирования);

К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт.

Пример 2

Концентрирование из воздуха токсиканта из класса галогенсодержащих веществ (трихлорэтилена). Температура анализируемого воздуха +15°С, относительная влажность воздуха 90%. В этих условиях, согласно справочным данным, абсолютная влажность воздуха составляет 9,6 г воды на 1 кг воздуха (0,0096 г воды на 1 г воздуха). Плотность жидкого воздуха при температуре конденсации 0,94 г/мл. Для проведения последующего микроэкстракционного концентрирования необходимо 5 мл водного конденсата. Вода при температуре микроэкстракции (+20°С) имеет плотность 0,9988 г/мл. Тогда объем жидкого воздуха, который необходимо сконденсировать в концентраторе, находится следующим образом:

V_жвозд=(5⋅0,9988)/(0,0096⋅0,94)=553 мл.

Коэффициент концентрирования трихлорэтилена из воздуха в водный конденсат составит:

К_вконд=1/F=1/0,0096=104.

Далее проводят испарение жидкого воздуха со скоростью 10^-3 мг/(с⋅см²), исключающей потерю аналитов вследствие их уноса в виде аэрозольных частиц. Затем проводят плавление закристаллизованной воды и извлечение 5 мл водного конденсата. Затем 5 мл водного водного конденсата переливают в центрифужную пробирку с вытянутой кверху частью. В водный конденсат, находящийся в центрифужной пробирке, вводят микрошприцем 10 мкл экстрагента (гексана высокой степени чистоты) при одновременном воздействии ультразвуком на центрифужную пробирку с раствором. Частота ультразвукового излучения 42 кГц, мощность 35-60 Вт, время воздействия ультразвуком 2 мин. Затем, образовавшуюся под действием ультразвука эмульсию гексана в водном конденсате разрушают центрифугированием в течение 5 минут при скорости вращения ротора центрифуги 6000 об/мин. В вытянутой нижней части центрифужной пробирки выделяется в фазу 5 мкл экстракта. Отбирают образовавшейся экстракт и вводят в испаритель хроматографа. Проводят газохроматографический анализ экстракта с масс-спектрометрическим или электронозахватным детектированием. С учетом справочного значения коэффицента распределения трихлорэтилена D=450 в системе вода - гексан коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт составит:

К_экстр=1/((450)^-1+5⋅10^-3/5)=310.

Интегральный коэффициент концентрирования К_инт трихлорэтилена из воздуха в экстракт составит:

К_инт=104⋅310=32240,

Тогда, при концентрации трихлорэтилена в экстракте 1⋅10^-4 масс.%, концентрация трихлорэтилена в анализируемом воздухе составит: (1⋅10^-4)/32240=3,1⋅10^-9 масс. %.

Пример 3

Концентрирование из воздуха токсиканта из класса сложных эфиров (диметилфталата). Температура анализируемого воздуха +30°C, относительная влажность воздуха 60%. В этих условиях, согласно справочным данным, абсолютная влажность воздуха составляет 15,5 г воды на 1 кг воздуха (0,0155 г воды на 1 г воздуха). Плотность жидкого воздуха при температуре конденсации 0,94 г/мл. Для проведения последующего микроэкстракционного концентрирования необходимо 5 мл водного конденсата. Вода при температуре микроэкстракции (+20°C) имеет плотность 0,9988 г/мл. Тогда объем жидкого воздуха, который необходимо сконденсировать в концентраторе, находится следующим образом:

V_жвозд=(5⋅0,9988)/(0,0155⋅0,94)=343 мл.

Коэффициент концентрирования диметилфталата из воздуха в водный конденсат составит:

К_вконд=1/F=1/0,0155=65.

Далее проводят испарение жидкого воздуха со скоростью 10^-3 мг/(с⋅см²), исключающей потерю аналитов вследствие их уноса в виде аэрозольных частиц. Затем проводят плавление закристаллизованной воды и извлечение 5 мл водного конденсата. Затем 5 мл водного водного конденсата переливают в центрифужную пробирку с вытянутой кверху частью. В водный конденсат, находящийся в центрифужной пробирке, вводят микрошприцем 10 мкл экстрагента (гептана высокой степени чистоты) при одновременном воздействии ультразвуком на центрифужную пробирку с раствором. Частота ультразвукового излучения 42 кГц, мощность 35-60 Вт, время воздействия ультразвуком 2 мин. Затем, образовавшуюся под действием ультразвука эмульсию гексана в водном конденсате разрушают центрифугированием в течение 5 минут при скорости вращения ротора центрифуги 6000 об/мин. В вытянутой нижней части центрифужной пробирки выделяется в фазу 5 мкл экстракта. Отбирают образовавшийся экстракт и вводят в испаритель хроматографа. Проводят газохроматографический анализ экстракта с масс-спектрометрическим, или пламенно-ионизационным, или электронозахватным детектированием. С учетом справочного значения коэффицента распределения диметилфталата D=167 в системе вода - гептан коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт составит:

К_экстр=1/((167)^-1+5⋅10^-3/5)=143.

Интегральный коэффициент концентрирования К_инт диметилфталата из воздуха в экстракт составит:

К_инт=65⋅143=9301,

Тогда, при концентрации диметилфталата в экстракте 1⋅10^-5 масс. %, концентрация диметилфталата в анализируемом воздухе составит: (1⋅10^-5)/9301=1,1⋅10^-9 масс. %.

Пример 4

Концентрирование из воздуха токсиканта из класса полициклических ароматических веществ (нафталина). Температура анализируемого воздуха +35°С, относительная влажность воздуха 100%. В этих условиях, согласно справочным данным, абсолютная влажность воздуха составляет 34,6 г воды на 1 кг воздуха (0,035 г воды на 1 г воздуха). Плотность жидкого воздуха при температуре конденсации 0,94 г/мл. Для проведения последующего микроэкстракционного концентрирования необходимо 5 мл водного конденсата. Вода при температуре микроэкстракции (+26°C) имеет плотность 0,99681 г/мл. Тогда объем жидкого воздуха, который необходимо сконденсировать в концентраторе, находится следующим образом:

V_жвозд=(5⋅0,99681)/(0,035⋅0,94)=152 мл.

Коэффициент концентрирования нафталина из воздуха в водный конденсат составит:

К_вконд=1/F=1/0,035=29.

Далее проводят испарение жидкого воздуха со скоростью 10^-3 мг/(с⋅см²), исключающей потерю аналитов вследствие их уноса в виде аэрозольных частиц. Затем проводят плавление закристаллизованной воды и извлечение 5 мл водного конденсата. Затем 5 мл водного водного конденсата переливают в центрифужную пробирку с вытянутой кверху частью. В водный конденсат, находящийся в центрифужной пробирке, вводят микрошприцем 10 мкл экстрагента (октанола-1 высокой степени чистоты) при одновременном воздействии ультразвуком на центрифужную пробирку с раствором. Частота ультразвукового излучения 42 кГц, мощность 35-60 Вт, время воздействия ультразвуком 2 мин. Затем, образовавшуюся под действием ультразвука эмульсию гексана в водном конденсате разрушают центрифугированием в течение 5 минут при скорости вращения ротора центрифуги 6000 об/мин. В вытянутой нижней части центрифужной пробирки выделяется в фазу 5 мкл экстракта. Отбирают образовавшейся экстракт и вводят в испаритель хроматографа. Проводят газохроматографический анализ экстракта с масс-спектрометрическим или пламенно-ионизационным детектированием, либо анализ экстракта методом жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим или флуоресцентным детектированием. С учетом справочного значения коэффицента распределения нафталина D=2340 в системе вода - октанол-1 коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт составит:

К_экстр=1/((2340)^-1+5⋅10^-3/5)=701.

Интегральный коэффициент концентрирования К_инт нафталина из воздуха в экстракт составит:

К_инт=29⋅701=20329,

Тогда, при концентрации нафталина в экстракте 1⋅10^-7 масс. %, концентрация нафталина в анализируемом воздухе составит: (1⋅10^-7)/20329=4,9⋅10^-12 масс. %.

Пример 5

Концентрирование из воздуха токсиканта из класса кислородсодержащих веществ (метанола). Температура анализируемого воздуха -10°С, относительная влажность воздуха 50%. В этих условиях, согласно справочным данным, абсолютная влажность воздуха составляет 0,97 г воды на 1 кг воздуха (0,00097 г воды на 1 г воздуха). Плотность жидкого воздуха при температуре конденсации 0,94 г/мл. Для проведения последующего микроэкстракционного концентрирования необходимо 5 мл водного конденсата. Вода при температуре микроэкстракции (+17°С) имеет плотность 0,9988 г/мл. Тогда объем жидкого воздуха, который необходимо сконденсировать в концентраторе, находится следующим образом:

V_жвозд=(5⋅0,9988)/(0,00097⋅0,94)=5477 мл.

Коэффициент концентрирования метанола из воздуха в водный конденсат составит:

К_вконд=1/F=1/0,00097=1030.

Далее проводят испарение жидкого воздуха со скоростью 10^-3 мг/(с⋅см²), исключающей потерю аналитов вследствие их уноса в виде аэрозольных частиц. Затем проводят плавление закристаллизованной воды и извлечение 5 мл водного конденсата. Затем 5 мл водного водного конденсата переливают в центрифужную пробирку с вытянутой кверху частью. В водный конденсат, находящийся в центрифужной пробирке, вводят микрошприцем 10 мкл экстрагента (м-ксилола высокой степени чистоты) при одновременном воздействии ультразвуком на центрифужную пробирку с раствором. Частота ультразвукового излучения 42 кГц, мощность 35-60 Вт, время воздействия ультразвуком 2 мин. Затем, образовавшуюся под действием ультразвука эмульсию м-ксилола в водном конденсате разрушают центрифугированием в течение 5 минут при скорости вращения ротора центрифуги 6000 об/мин. В вытянутой нижней части центрифужной пробирки выделяется в фазу 5 мкл экстракта. Отбирают образовавшейся экстракт и вводят в испаритель хроматографа. Проводят газохроматографический анализ экстракта с масс-спектрометрическим, либо электронозахватным, либо пламенно-ионизационным детектированием. С учетом справочного значения коэффицента распределения метанола D=50 в системе вода - м-ксилол коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт составит:

К_экстр=1/((50)^-1+5⋅10^-3/5)=48.

Интегральный коэффициент концентрирования К_инт примесей из воздуха в экстракт составит:

К_инт=1030⋅48=49050,

Тогда, при концентрации трихлорэтилена в экстракте 4⋅10^-3 масс. %, концентрация трихлорэтилена в анализируемом воздухе составит: (4⋅10^-3)/32240=1,2⋅10^-7 масс. %.

1. Установка для получения водного конденсата из воздуха, содержащая концентратор, погруженный в сосуд Дьюара с жидким азотом, отличающаяся тем, что концентратор выполнен в виде трубки с краном, с входным отверстием для забора воздуха, с емкостью для конденсации жидкого воздуха, с приемником водного конденсата, с изолирующей прокладкой, при этом концентратор установлен в сосуде Дьюара через отверстие в изолирующей прокладке таким образом, чтобы емкость для конденсации жидкого воздуха была погружена в жидкий азот.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что приемник водного конденсата выполнен в виде бокового отвода, сформированного на трубке.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что приемник водного конденсата выполнен в виде суженной выступающей части, сформированной на нижней поверхности емкости для конденсации жидкого воздуха.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что приемник водного конденсата выполнен съемным.

5. Способ концентрирования примесей из воздуха, включающий получение водного конденсата из воздуха путем забора воздуха и конденсации воздуха при охлаждении жидким азотом, испарения жидкого воздуха до получения замороженного водного конденсата, плавление замороженного водного конденсата, введение в водный конденсат экстрагента в диспергенте, проведение микроэкстракции примесей из водного конденсата, расслоение эмульсии экстракта, образовавшейся в водном конденсате, путем ее центрифугирования, получение фазы экстракта, определение коэффициента концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт К_экстр и интегрального коэффициента концентрирования примесей из воздуха в экстракт К_инт, отбор фазы экстракта, проведение анализа полученного экстракта, отличающийся тем, что получение водного конденсата из воздуха осуществляют с помощью установки по пп. 1-3, определение коэффициента концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт К_экстр осуществляют по формуле:

К_экстр=1/(D^-1+V_э/V_вод,

где

D - коэффициент распределения примеси в системе экстрагент-вода,

V_э - объем фазы экстрагента,

V_вод - объем водного конденсата,

расчет интегрального коэффициента концентрирования К_инт примесей из воздуха в экстракт осуществляют по формуле:

К_инт=К_вконд⋅К_экстр,

где

К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт,

К_вконд - коэффициент концентрирования из воздуха в водный конденсат,

К_экстр - коэффициент концентрирования примесей из водного конденсата в экстракт,

при этом предварительно определяют необходимый объем жидкого воздуха V_жвозд для получения необходимого количества водного конденсата по формуле:

V_жвозд=(V_вод⋅ρ_вод)/(F⋅ρ_жвозд),

где

V_жвозд - объем жидкого воздуха;

V_вод - объем водного конденсата, необходимый для проведения экстракции/микроэкстракции;

ρ_вод - плотность воды при температуре проведения экстракции;

F - содержание атмосферной влаги (в ед. массы) в единице массы отбираемого воздуха;

ρ_жвозд - плотность жидкого воздуха при температуре проведения конденсации воздуха, дополнительно осуществляют получение жидкого воздуха путем его конденсации в емкости для конденсации жидкого воздуха, испарение сконденсированного жидкого воздуха в емкости для конденсации жидкого воздуха, извлечение водного конденсата из приемника водного конденсата, рассчитывают концентрации определяемых веществ в воздухе по формуле:

С_возд=С_экстр/К_инт,

где

С_возд - концентрация определяемого вещества в анализируемом воздухе (масс. %),

С_экстр - концентрация определяемого вещества в экстракте (масс. %),

К_инт - интегральный коэффициент концентрирования примесей из воздуха в экстракт.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что осуществляют проведение микроэкстракции водного конденсата путем диспергирования экстрагента в объеме анализируемого водного конденсата с помощью ультразвукового облучения.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что испарение сконденсированного жидкого воздуха осуществляют путем медленного извлечения концентратора из жидкого азота со скоростью 10^-3 мг/(с⋅см²), исключающей унос аэрозольных частиц замороженной воды и примесей воздуха.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что количество извлекаемого водного конденсата должно соответствовать объему емкости для проведения микроэкстракции.

9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что отношение объема водного конденсата к объему экстрагента должно быть более десяти.

10. Способ по п. 5, отличающийся тем, что осуществляют хроматографический или хромато-масс-спектрометрический анализ экстракта.