Способ определения тяжелых металлов в почве


G01N23/2276 - Исследование или анализ материалов радиационными методами, не отнесенными к группе G01N 21/00 или G01N 22/00, например с помощью рентгеновского излучения, нейтронного излучения (G01N 3/00-G01N 17/00 имеют преимущество; измерение силы вообще G01L 1/00; измерение ядерного или рентгеновского излучения G01T; введение объектов или материалов в ядерные реакторы, извлечение их из ядерных реакторов или хранение их после обработки в ядерных реакторах G21C; конструкция или принцип действия рентгеновских аппаратов или схемы для них H05G)

Владельцы патента RU 2670898:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН) (RU)

Изобретение относится к области спектроскопических измерений и касается способа определения тяжелых металлов в почве. При осуществлении способа исследуемый образец почвы наносят слоем толщиной 5-10 микрон на атомно-гладкую поверхность кристалла меди, отжигают при температуре 150°С в течение 5 минут и помещают в вакуумную камеру с давлением остаточных газов на уровне 10-8 миллибар. Далее наводят на объект исследований электронный луч диаметром 3-4 мм с энергией 3 килоэлектроновольта и по образовавшейся эмиссии Оже-электронов, регистрируемых спектрометром, определяют количество и качество химических элементов. Технический результат заключается в повышении точности измерений и обеспечении возможности определения всех элементов от лития до плутония в одном измерении без использования реперных образцов или образцов сравнения.

 

Изобретение относится к физике твердого тела, в частности к мессбауэрской спектроскопии, и может найти применение при оценке почв, загрязненных тяжелыми металлами.

Известен способ, при котором определяют тяжелые металлы с помощью химических анализов (патент №2192300, опубликован 10.11.2002, МПК: B01D 15/08, D01J 20/22, G01N 30/48).

Известный способ достаточно трудоемкий, требующий значительное количество реактивов, и с его помощью определяют только несколько элементов при определенной кислотности раствора.

Известен также оптический способ контроля качества монокристаллических ферритов-гранатов (патент №2157576, опубликован 10.10.2000, МПК: H01L 21/66, Бюл. №28).

Однако данный способ не дает возможности количественных измерений концентрации ионов Pb в монокристаллических ферритах-гранатах. Причем определяют только элемент свинец.

Наиболее близким техническим решением является способ определения свинца в монокристаллических ферритах-гранатах, используя при этом спектроскопию (патент №2206143, опубликован 10.04.2003, Бюл. №16, МПК: H01L 21/66), а также способ спектроскопического определения тяжелых металлов в почве (Статья: Giusti L. Heavy metals in urban soils of Bristol (UK). Initial screening for contaminated land. // Journal of Soils and Sediments. 2011. 11: 1385-1398).

Известный способ - прототип малоэффективный, поскольку при его использовании определяют только один элемент, используя при этом математические расчеты и определение свинца в соответствие с формулой. Для каждого элемента необходимо наличие стандартного образца. При этом в каждом измерении можно определить только один образец. Время, необходимое для определения 5-10 элементов, может достигать нескольких дней. Набор таких стандартных образцов ограничен, порядка 10-15. Подготовка каких-то особых стандартных образцов - процедура дорогостоящая. Срок годности стандартных образцов ограничен, они нуждаются в постоянном обновлении.

Технический результат - повышение эффективности способа, определение всех химических элементов, содержащихся в почве в одном измерении.

Техническое решение заявленного объекта достигается тем, что исследуемый образец почвы наносится слоем толщиной 5-10 микрон на атомно-гладкую поверхность кристалла меди, отжигается при температуре 150°С в течение 5 минут, помещается в вакуумную камеру с давлением остаточных газов на уровне 10-8 миллибар, с последующим наведением на объект исследований электронного луча диаметром 3-4 мм с энергией 3 кэВ (килоэлектроновольт) и по образовавшейся эмиссии Оже-электронов, регистрируемых спектрометром, определяют количество и качество химического элемента.

Способ осуществляется следующим образом

Медь является хорошим электрическим проводником и, при толщине слоя почвы на ее поверхность (5-10 мк) облучающие образец электроны проходят через слой почвы и попадают на медь, тем самым замыкая электрическую цепь спектрометра. Медь имеет кристаллографическую ориентацию 111. Это соответствует наиболее плотной атомной упаковке, что существенно для достижения большей адгезии и равномерности наносимого слоя почвы, а также удобно для проведения Оже-измерений. Обоснование выбранных параметров толщины слоя почвы на поверхности медной пластины объясняется тем, что при меньшей толщине, в силу особенностей электронной Оже-спектроскопии (ЭОС), снижается чувствительность к регистрации разных химических элементов. При большей толщине слоя будет происходить электрическая зарядка образца, поскольку почва (в данном случае высушенная) является недостаточно хорошим проводником электрического тока. А поскольку в методе электронной спектроскопии образец облучается электронным лучом, то на плохо проводящей поверхности скапливается электрический заряд неконтролируемой величины, что существенно снижает достоверность измерений. Эти параметры являются оптимальными и определены экспериментальным путем. Сам метод Оже-спектроскопии основан на эффекте Оже, открытом в 1925 г. французским ученым Пьером Оже, и носит его имя.

При отжиге почвы в обычных условиях для полного удаления влаги обычно требуется температура 150°С и время отжига 5 минут. Влагу необходимо удалить для того, чтоб образец, т.е. кристалл меди с нанесенным на ее поверхность слоем почвы, для измерения мог быть установлен в сверхвысоковакуумную металлическую камеру (в среднем, сфера из нержавеющей стали диаметром порядка одного метра), в которой и реализуется метод электронной Оже-спектроскопии. Для того чтобы метод ЭОС работал, нужно обеспечить вакуум на уровне давления остаточных газов не выше 10-8 миллибар. В противном случае первичный электронный луч метода ЭОС не сможет двигаться, рассеиваясь на молекулах газов в камере (по аналогии с телевизионным кинескопом, из которого удален воздух для того, чтобы там мог двигаться электронный луч, создавая изображения на экране). Поэтому содержимое (воздух) камеры откачивается специальными насосами, которые удаляют из нее воздух. Если в такую высоковакуумную камеру поместить не высушенную (влажную) почву, то вода в вакууме мгновенно испарится, тем самым существенно повысив давление, и нарушит работу электронного Оже-спектрометра.

Параметры способа объясняются следующим образом. Энергия первичного луча должна составлять 3 кэВ, поскольку именно при этой энергии в силу особенностей ЭОС, имеет место оптимальная чувствительность ко всем элементам Периодической таблицы. Если взять большую энергию первичных электронов, чувствительность к легким элементам (где-то до титана) снижается, при меньшей энергии - наоборот, снижается чувствительность к более тяжелым элементам. При 3 кэВ элементная зависимость чувствительности метода более равномерна по всем элементам.

В принципе диаметр электронного луча может быть сфокусирован до одного микрона и это считается большим преимуществом для многих приложений, то есть при этом достигается высокая пространственная локальность анализа. Но луч может быть расфокусирован, в среднем, до диаметра 1 см. В данном способе высокая локальность первичного пучка электронов в 1 микрон - недостаточна, поскольку можно упустить элементы, находящиеся за пределами анализа в один микрон. В связи с этим необходим больший диаметр электронного пучка. Экспериментальным путем установлено, что наиболее оптимальным для данного способа является диаметр первичного электронного пучка диаметром 3-4 см. При значении диаметра выше 4 см чувствительность метода существенно снижается

ПРИМЕР 1. Образец почвы объемом 0,5 см3 помещали в муфельную печь при температуре 1500°С и выдерживали в течение 5 минут. После охлаждения до 25°С образец с помощью очищенной фарфоровой палочки помещали на поверхность кристалла меди (111) в виде слоя толщиной 5 микрон. Подготовленный образец помещали в предварительную камеру электронного Оже-спектрометра и после ее откачивания до давления остаточных газов на уровне 10-6 мбар через шлюз перемещали в измерительную часть спектрометра с давлением остаточных газов на уровне 10-8-10-9 мбар. С помощью перемещающего штока образец перемещали на держатель, после чего устанавливали в фокус электронного спектрометра. При воздействии первичным электронным лучом с энергией 3 кэВ и силой тока 0,1 микроампер, происходит возбуждение Оже-электронов и регистрация Оже-спектров соответствующих элементам: Cd, Sb, Mn, V, Pb, As, Hg, Cu, Ni, Zn, Cr в концентрациях от 1 до 500 мг/кг.

ПРИМЕР 2. Образец почвы объемом 0,5 см3 помещается в муфельную печь, нагревается до температуры 150°С, выдерживается при этой температуре в течение 5 мин, после чего нагрев отключается. После охлаждения образца до 25°С образец с помощью очищенной в ультразвуковой ванне фарфоровой палочки наносится на поверхность кристалла Cu (111) в виде слоя толщиной 5 микрон. Подготовленный таким образом образец помещается в предварительную камеру электронного Оже-спектрометра и после ее откачивания до давления остаточных газов на уровне 10-6 мбар через шлюз перемещается в измерительную часть спектрометра с давлением остаточных газов на уровне 10-8 мбар. С помощью перемещающего штока образец помещается на держатель, после чего происходит его установка в фокус электронного спектрометра. Путем воздействия на образец первичным электронным лучом с энергией 3 кэВ и силой тока 0,1 микроампер, происходит возбуждение Оже-электронов и регистрация Оже-спектров в интервале энергий 25-2000 электронвольт, что позволяет определить наличие всех элементов с порядковыми номерами от 3 атомных единиц массы (литий) до 94 атомных единиц массы (плутоний) в концентрациях от 1 до 500 мг/кг (миллиграмм на килограмм).

Способ позволяет зарегистрировать наличие всех элементов от лития до плутония, в одном измерении с точностью по содержанию в пределах 0,01-0,02%.

Способ не требует наличия реперных образцов или образцов сравнения по каждому химическому элементу.

Поскольку измерение проводится в сверхвысоком вакууме, внешние факторы неконтролируемого воздействия окружающей среды на результат измерения сведены к минимуму.

Способ определения тяжелых металлов в почве, включающий оценку по содержанию химических элементов методом спектроскопии, отличающийся тем, что исследуемый образец почвы наносят слоем толщиной 5-10 микрон на атомно-гладкую поверхность кристалла меди, отжигают при температуре 150°С в течение 5 минут, помещают в вакуумную камеру с давлением остаточных газов на уровне 10-8 миллибар, с последующим наведением на объект исследований электронного луча диаметром 3-4 мм с энергией 3 килоэлектроновольта и по образовавшейся эмиссии Оже- электронов, регистрируемых спектрометром, определяют количество и качество химического элемента.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области изучения свойств смачивания. Для определения равновесной смачиваемости поверхности раздела пустотного пространства и твердой фазы образца горной породы получают трехмерное изображение внутренней структуры образца.

Изобретение относится к области изучения свойств смачивания. Для определения равновесной смачиваемости поверхности раздела пустотного пространства и твердой фазы образца горной породы получают трехмерное изображение внутренней структуры образца.

Изобретение относится к экологии и может быть использовано для мониторинга состояния нарушенных земель в районах освоения газовых месторождений Крайнего Севера. Для этого, после проведения рекультивации нарушенных земель, проводят комплексное исследование проб почвы рекультивированного и незагрязненного фонового участков.

Изобретение относится к газогеохимическим исследованиям грунтов и может быть использовано для решения геологических, геофизических, океанологических, акустических задач и инженерного проектирования.

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при определении генезиса морских осадочных отложений, а именно мелкозернистых песчаников, алевролитов, алевроаргиллитов и аргиллитов.

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при определении генезиса морских осадочных отложений, а именно мелкозернистых песчаников, алевролитов, алевроаргиллитов и аргиллитов.

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» и касается способа определения на заданной глубине h>С/γ (м), где С (МПа) - удельное сцепление, γ (МН/м3) - удельный вес массива среды по зависимостям (МН/м3) и (МН/м3)соответственно в структурированном и нарушенном состоянии, где 1 ил..

Изобретение относится к способам изготовления стандартных образцов почвы для оперативного и статистического контроля погрешности результатов измерений. Способ изготовления стандартных образцов массовой доли тяжелых металлов в почве включает отбор почвы в естественных условиях, сушку, измельчение, просеивание и усреднение почвенного материала, приготовление водного раствора солей тяжелых металлов заданной концентрации, смешивание почвы с раствором солей тяжелых металлов, испарение воды при 105°С и аттестацию полученного материала по массовой доле тяжелых металлов, что позволит осуществлять контроль методик выполнения измерений при определении содержания тяжелых металлов в почвах.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля экологического обустройства окружающей среды. Изобретение представляет собой портативный респирометрический прибор с автономным питанием, рассчитанный на оперативный контроль дыхательной эмиссии СО2 непосредственно по месту проведения почвенного мониторинга различных природно-хозяйственных объектов.

Изобретение относится к области почвоведения, агрохимии и фармацевтической промышленности, а именно к способу выделения фракции бурых гуминовых кислот. Способ выделения фракции бурых гуминовых кислот из образца почвы, включающий сушку, измельчение, удаление органических остатков и просеивание образца почвы, проведение щелочной экстракции навески почвы раствором 0,1н.

Изобретение относится к области изучения свойств смачивания. Для определения равновесной смачиваемости поверхности раздела пустотного пространства и твердой фазы образца горной породы получают трехмерное изображение внутренней структуры образца.

Изобретение относится в измерительной техники, а именно к способам неразрушающего контроля объектов в микро- и наноэлектронике. В способе определения температур фазовых переходов в пленках и скрытых слоях многослойных структур нанометрового диапазона толщин нагреваемый образец облучают потоком выходящего из источника рентгеновского излучения и осуществляют регистрацию отраженного от поверхности образца излучения.

Изобретение относится к технике контроля запыленности поверхности на предприятиях угольной, горно-металлургической и других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства, где присутствует взрывчатая пыль: угольная, сульфидная, мучная и др.

Группа изобретений относится к области исследования материалов радиографическими методами с применением ударных нагружений и воздействием магнитного поля. Сущность изобретений заключается в том, что пучок протонов направляют под углом к силовым линиям магнитного поля, после облучения области исследования получают три изображения отклоненного магнитным полем протонного пучка путем его поочередной фокусировки с помощью трех магнитооптических линзовых систем на трех конверторах систем регистрации, первое из которых формируют без изменения интенсивности пучка, а следующие - с последовательным изменением интенсивности пучка путем его ослабления в зависимости от его отклонения магнитным полем во взаимно перпендикулярных направлениях, обработку осуществляют путем деления полученных изображений отклоненного магнитным полем пучка между собой и на изображение пучка до пропуска его через область исследования с учетом обратного преобразования функции ошибок с вычислением углов рассеяния пучка протонов под действием магнитного поля и последующей реконструкцией изображения компонентов вектора магнитной индукции во взаимно перпендикулярных направлениях, по которому определяют поля деформации области исследования.

Изобретение относится к анализу старения резиновой смеси для шины, в частности к ухудшению состояния поверхности полимерного материала с низкой проводимостью. Способ анализа старения резиновой смеси включает облучение резиновой смеси с образованным на ней металлическим покрытием толщиной 100 Ǻ или менее рентгеновскими лучами высокой интенсивности, имеющими энергию в диапазоне 4000 эВ или менее, и измерение поглощения рентгеновских лучей по графикам спектров поглощения для анализа старения резиновой смеси для шины.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для моделирования многофазного потока текучей среды. Структура пор горных пород и других материалов может быть определена посредством микроскопии и подвержена цифровому моделированию для определения свойств потоков текучей среды, проходящих сквозь материал.

Изобретение относится к технологии обнаружения алмазов в кимберлитовой породе. Система для обнаружения алмазов в кимберлите содержит линейный ускоритель электронов для генерации тормозного излучения дуальной энергии в диапазоне 1-10 МэВ, транспортер для подачи кимберлита в зону облучения, детекторный узел для приема излучения, прошедшего через фрагмент кимберлита, блок обработки данных для формирования данных сканирования, содержащих оценки атомных номеров и массовых толщин материалов во фрагменте кимберлита, блок автоматического анализа и отображения для финальной обработки, включающей в себя по меньшей мере кластеризацию данных сканирования и оценку вероятности нахождения во фрагменте кимберлита алмаза заданной крупности, а также визуализацию радиоскопического изображения с колоризацией сегментов изображения на основании обработанных данных сканирования.

Изобретение относится к технике контроля запыленности поверхности горных выработок, промышленных помещений на предприятиях угольной, горно-металлургической и других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства, где присутствует взрывчатая пыль: угольная, сульфидная, мучная, пластмассовая и др.

Изобретение предназначено для исследования и модификации поверхности измеряемых объектов с помощью источников излучения. Сканирующее устройство локального воздействия включает образец (1) с первой (2) и второй поверхностями (3), зонд (4) с острием (5), закрепленный в модуле зонда (7), сканер (8), первый модуль перемещения (9) и блок управления (10).

Использование: для рентгеноспектрального анализа тяжелых элементов. Сущность изобретения заключается в том, что анализатор тяжелых элементов содержит рентгеновскую трубку или источник гамма-излучения, коллиматор первичного пучка, держатель образца, два аналитических канала с коллиматорами и фильтрами вторичного излучения, устройство детектирования с рядами детекторов и регистрирующую аппаратуру, подключенную к выходам детекторов, при этом держатель образца выполнен с возможностью установки образца с плоской или вогнутой по сфере рабочей поверхностью на сфере, источник или фокус рентгеновской трубки расположен на упомянутой сфере, в обоих каналах коллиматоры выполнены с входной и выходной щелями, при этом в первом аналитическом канале выходная щель проходит через диаметрально противоположную источнику точку сферы перпендикулярно плоскости осей пучков, а входная щель расположена в плоскости осей пучков между держателем образца и выходной щелью, второй канал предназначен для анализа тория-урана с повышенной чувствительностью, при этом входная щель расположена в плоскости осей пучков, а выходная щель расположена на упомянутой сфере перпендикулярно входной щели под углом рассеяния выше 140°, кроме того, предусмотрена возможность либо перемещения и установки устройства детектирования под пучки на выходе обоих каналов, либо использования в канале тория-урана второго устройства детектирования.

Изобретение относится к области спектроскопических измерений и касается способа определения тяжелых металлов в почве. При осуществлении способа исследуемый образец почвы наносят слоем толщиной 5-10 микрон на атомно-гладкую поверхность кристалла меди, отжигают при температуре 150°С в течение 5 минут и помещают в вакуумную камеру с давлением остаточных газов на уровне 10-8 миллибар. Далее наводят на объект исследований электронный луч диаметром 3-4 мм с энергией 3 килоэлектроновольта и по образовавшейся эмиссии Оже-электронов, регистрируемых спектрометром, определяют количество и качество химических элементов. Технический результат заключается в повышении точности измерений и обеспечении возможности определения всех элементов от лития до плутония в одном измерении без использования реперных образцов или образцов сравнения.

Наверх