Способ разделения химического вещества и устройство для его осуществления

 

Союз Советскик

Социапистическик

Республик

О П И С А Н И Е ()890173

ИЗЬБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-ву— (22)Заявлено 09.04.80 (21) 2900330/18-25 (51) М. Кл. с присоелинением заявки,%G 01 N 21/64

3Ъеудэдстеенный камнтет

СССР (23) Приоритет—

Опубликовано 15 ° 12.81. Бюллетень Юю 46 (53) уды 535 ° 34 (088. 8) по делам нзобретеннй и открытий

Дата опубликования описания 15,12.81 (72) Авторы изобретения

Т.К.Айдаров и Ф.Ф.Султанбеков

Е-. ";

Всесоюзный (71) Заявитель научно-исследовательско- тметч+уу охраны труда ВЦСПС (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

ВЕЩЕСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к физико-химическим способам разделения химического состава вещества и может найти применение в технологии получения чистых веществ, очистки их от примесей, а также при анализе

5 жидких, твердых проб, пыли (аэрозолей), содержащихся в воздухе или газовой среде, эмиссионным, атомно" абсорбционным, атомно-флуоресцентным

1Î или иным методом.

Известен способ разделения метал" лов и их окислов при использовании химических транспортных реакций,сущность которого заключается в том, 15 что твердое или жидкое вещество взаимодействует по обратимой реакции с транспортирующим агентом и образует с ним только летучие в данных условиях соединения, разлагающиеся после переноса в другой части системы с измененными условиями равновесия с выделением чистого твердого (или жидкого) вещества. Основными механизмами массопередачи здесь являются диффузионный и конвективный процессы. В технике транспортных реакций чаще всего используются методы хлорирования, фторирования, иодирования.

Так, например, большая группа металлов или их окислов реагируют с газообразным хлором при 500-600 С и после образования легколетучих хлоридов и транспорта их в холодную область: пространства, осаждаются в виде твердых соединений (1 1, Недостатком такого способа разде" ления является необходимость предварительного перевода анализируемых ме" таллов в окислы, а также трудность сочетания процесса разделения и последующего анализа.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ разделения химического состава вещества, заключающийся в нагре" вании и превращении анализируемой пробы в летучие соединения и фракци3 89 онное разделение на группы элементов, Фракционная дистилляция легколетучих примесей вещества с последующим отделением труднолетучей основы или легколетучей матрицы от труднолетучих примесей, осуществляемые на воздухе или в вакууме при высокой температуре (от 1500-2000 С до 3500"

4000 С) за счет другого термического нагрева. Эффект фрикционной дистилля" ции достигается за счет различия в скоростях испарения компонентов пробы вследствие различий в температурах кипения металлов и их окислов f2).

Недостатком этого способа является низкая эффективность разделения атомных паров элементов, поступающих в аналитическую зону, низкая точность и чувствительность определений за c÷åò снижения неселективных помех, Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее две коаксиально вставленные друг в друга трубки из газонепроницаемого материала с системами охлаждения, нагрева и подачи газовых смесей.

Устройство содержит .стержень с полостью, который помещен в кожух из термостойкого газонепроницаемого материала, имеющий прорезь вдоль всего стержня. В этом устройстве диффузия атомов осуществляется только в одном направлении - через прорезь кожуха, что позволяет повысить чувствительность, а также увеличить срок службы атомизатора.

Основными недостатками указанного устройства являются невозможность разделения химического состава вещества по элементам или группам элементов (легколетучие, средней летучести и труднолетучие соединения), так как при нагревании атомизатора в аналитическую зону поступают одновременно атомы различных элементов„ Это приводит к снижению чувствительности и точности определений, вследствие того,что часть атомов не диффундирует через стенки атомизатора из-за невысокого давления атомного пара по отношению к давлению окружающего воздуха. Взаимодействие атомов определяемого элемента с окружающим воздухом приводит к образованию различных соединений (например окислов), что ведет к появлению дополнительных помех и снижению точности измерений, 01 73 газонепроницаемого термостойкого материала с входным отверстием 2 для поступления атомного пара и смеси газов (от которого берет начало винтовая канавка 3), коаксиально вставлен55 ная в трубку 4 из того же материала, которая имеет в конце винтовой канавки выходное отверстие 5 для выхода атомного пара и газов, куда пои отбо4

Целью изобретения является повышение эффективности разделения атомных паров элементов, поступающих в аналитическую зону, повышение точности и чувствительности определений за счет снижения неселективных помех.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу разделения химического состава вещества, заключаю10 щемуся в нагревании и превращении анализируемой пробы в летучие соединения и фракционное разделение на группы элементов, процесс разделения осуществляют с помощью подогреваемого инертного газа с добавками активного и восстановительного газов, который одновременно пульсирующим потоком подают в трубку с обоих ее концов, причем с одного конца - тяжелый инертный газ; например аргон, с добавками активного газа, например хлора, с возрастающей концентрацией от 2 до

103 от общего объема газа, подогретый до 300-600 С, с частотой д пульсации 50-100 имп/с, а с другого конца подают легкий инертный газ, например гелий, с добавками восстановительного газа, например водорода, с возрастающей концентрацией от 4 до 203 от общего объема газа, подогретый до температуры на 200-300 С ниже температуры тяжелого инертного газа с последующим их температурным выравниванием, с частотой пульсаций в 2-4 раза выше частоты пульсации тя35 желого инертного газа, Данный способ может быть осуществлен при помощи устройства, содержащего две коаксиально вставленные друг в друга трубки из газонепроницаемого

40 термостойкого материала с системами охлаждения, нагрева и подачи газовых смесей, причем внутренняя трубка имеет на внешней поверхности винтовую канавку, соединенную по концам с входным и выходным отверстиями.

На чертеже схематически представлено устройство для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит трубку 1 из

8901 73 Ь

Ipe проб пыли и аэрозолей во избежание подсоса воздуха вставляется пробка (на чертеже не указана), Во внутреннюю полость с обоих концов вставлены заслонки 6 с отверстиями, преднаэна" ченными для предотвращения потери пробы 7 и сорбента 8. Составленная трубка помещена в графитовые контакты 9, которые, в свою очередь, помещены в электроды 10 с полостями 1 1 для поступления охлаждающей жидкости.

К трубке через отверстия в электродах и графитовых контактах подведены магистрали 12 с вентилями 13, которые открывают при высушивании и озолении пробы, а также при отборе проб пыли и аэрозолей. К магистрали I2 подведены боковые магистрали: магистраль тяжелого инертного газа 14 с вентилем

15,предназначенным для регулирования 20 расхода газа, манометром общего давления 16 и ротаметром 17, измеряющим расход газа, которая подходит к баллону 18 с тяжелым инертным газом, имеющим редуктор 19 для регулирования давления и расхода газа, вентиль 20 и ротаметр 21, а также к баллону 22 с активным га" юзом, имеющим редуктор 23; вентиль 24 и ротаметр 25, магистраль легкого инертного газа 26 с вентилем 27, манометром общего давления 28 и ротаметром 29 подходит к баллону 30 с легким инертным газом, имеющим редуктор 31, вентиль 32 и ротаметр 33, а З5 также к баллону 34 с восстановительным газом, имеющему редуктор 35, вентиль 36 и ротаметр 37, К магистралям подведены нагревательные устройства

38 для подогрева инертных газов с добавками, которые через реостаты 39 и выключатели 40 соединяются с электрической сетью. Температура нагрева инертных газов контролируется термопарами (на чертеже не указаны). Боковые магистрали снабжены устройствами

41 для создания пульсирующего потока газов с выключателями 42. Электрический нагрев графитовой трубки осуществляется токовым трансформатором 43 с регулировочным реостатом 44 и выключателем 45 °

Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.

SS

Предварительно полость составной трубки закрывается со стороны входного отверстия 2 заслонкой 6, затем заполняется на 1/4 - 1/2 длины ее сорбентом (например порошком графита

МПГ-6), после этого трубка наполняется заранее взвешенной навеской пробы 7 (или сорбентом - в случае отбора проб аэрозолей, содержащихся в воздухе или газе) и закрывается второй заслонкой 6. Для подготовки разделения компонентов пробы, после закрепления трубки между графитовыми контактами 9, проводится высушивание и озоление исследуемой пробы при 150250 С, после этого при помощи трансформатора 43 и реостата 44 температура трубки постепенно доводится от

600 до 2800 С.

Одновременно с нагревом графитовой трубки подают через боковую ма" гистраль 14 при открытом кране 15 тяжелый инертный газ с добавками активного газа, например хлора, с возрастающей концентрацией в пределах от 2 до 10 от общего объема газа с частотой пульсации 50-100 имп/с и подогретый до 500-600 С под давлением 1114,3-3039 гПа, а через боковую магистраль 26 при открытом кране 27 подают с одинаковым расходом и давлением легкий инертный газ, например гелий, с добавками восста" новительного газа, например водорода> с возрастающей концентрацией в пределах от 4 до 20х от общего объема газа с частотой пульсации в 2-4 раза большей, чем тяжелый инертный гаэ, а также подогретый до температуры на

200-300 С ниже температуры тяжелого инертного газа с последующим уравнением температуры в заключительной стадии процесса разделения.

Расход тяжелого инертного газа регулируется в соответствии с взятой для эксперимента навеской исследуемого вещества, а добавка активного газа подается в возрастающей концентрации для улучшения протекания кинетики реакции, обуславливающей полноту взаимодействия с соединениями проб в начальной и заключительной стадиях процесса разделения.

Поступив в трубку, тяжелый инерт" ный газ, выполняя роль транспортного средства, подхватывает и вытесняет свободные атомы и летучие соединения, образовавшиеся из окислов определенной группы элементов под воздействи" ем добавки и заданной температуры, в пространство трубки, заполненное сорбентом, а пульсирующая подача способствует лучшему прохождению ra8901 73 8 зов через пробу и улучшает процесс диффузии.

Образование летучих соединений, например хлорирование окислов, протекает по следующей реакции: MeO +

+С1 =ИеС1 +0,5 0 .

Летучие соединения и свободные атомы, проходя через слой сорбента (например порошок графита ИПГ-6), испытывают предварительное разделение на определенные группы соединений и элементов и затем продвигаются к входному отверстию 2, в районе которого создается восстановительная среда за счет легкого инертного газа, несущего примеси газа с восстановительными свойствами. У входного о1верстия 2 образуется смесь из легкого и тяжелого инертных газов и происходит взаимодействие добавок.

Часть добавки восстановительного газа при взаимодействии с активной добавкой образует соединения НС1, а другая часть восстанавливает из летучих соединений свободные атомы элементов (ИеС 1 +Н --2НС1+Ие) . После этого образовавшаяся смесь газов, атомных паров и соединений через входное отверстие 2 поступает в вин" товую канавку 3, но поскольку температура легкого инертного газа ниже температуры тяжелого инертного газа на 200-300 С,. то вся смесь охлаждается и при продвижении ее по винтовой . канавке труднолетучие элементы и соединения конденсируются на первых витках стенки канавки с последующим их выносом при повышении температуры нагрева трубки. При прохождении паров и соединений через центральную, наи" более нагретую часть трубки, происходит дополнительное образование свободчых атомов. Легкий инертный газ поступает с пульсацией B 2-4 раза выше, чем тяжелый инертный газ,это приводит к перераспределению скоростей движения свободных атомов и улучшает, кинетику разделения вещества на стенках канавки, что способствует эффективному разделению элементов с близкими физико-химическими свойствами и выносу свободных атомов в аналитическую зону через выходное отверстие 5 в определенной последовательности: легколетучие, среднелетучие, труднолетучие.

Использование тяжелого и легкого инертного газов, в свою очередь, также способствует разделению и выносу в аналитическую зону свободных атомов благодаря различию коэффициентов диффузии (согласно кинетической теории, коэффициент диффузии обратно пропорционален корню квадратному из массы атомов и ивадрату диаметра мопеиуп гара Г= тпррЂ ;-.тт и,. например, в аргоне и гелии он отличается в 3 раза, поэтому для выноса свободных атомов и летучих соединений из разогретой пробы применяется тяжелый инертный гаэ, а для более эффективного разделения элементов - легкий инертный газ), Применение предлагаемого способа и устройства для его реализации позволяет осуществлять разделение элементов в пробах различного состава (руды, минералы, аэрозоли, содержащиеся .в воздушной среде или в любом газе и т,д.) для получения чистых веществ в технологии. Кроме этого, важным достоинством способа и устройства является возможность использования для качественного и количественного анализа состава вещества, например экспрессного контроля элементов по времени выхода атомных паров эмиссионным, атомно-абсорбционным, атомно-флуоресцентным и другими методами. По сравнению с известными способами очистки различных материалов предполагаемый способ улучшает качество и контроль их состава, ускоряет процесс анализа, что может . найти применение в различных отраслях народного хозяйства.

Формула изобретения

1. Способ разделения химического состава вещества, заключающийся в нагревании и превращении анализируемой пробы в летучие соединения и фракционное разделение на группы элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности разделения атомных паров элементов, поступающих в аналитическую зону, повышения точности и чувствительности определений за счет снижения неселективных помех, процесс разделения осуществляют с помощью подогреваемого инертного газа с добавками активного и восстановительного газов, который одновременно пульсирующим потоком подают в трубку с обоих ее концов, причем

8901 го

9 с одного конца подают тяжелый инертный газ с добавками активного газа с возрастающей концентрацией от 2 до 10ь от общего объема газа, подогретый до 300-600 С с частотой пульсации 50-100 имп/с, а с другого конца подают легкий инертный газ с добавками восстановительного газа с возрастающей концентрацией от 4 до

204 от общего объема газа, подогретый до температуры на 200-300 С ниже температуры тяжелого инертного газа с последующим их температурным выравниванием и с частото 1 пульсации в 2"4 раза выше частоты пульсации тяжелого инертного газа.

2, Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее две коаксиально вставленные друг в друга

0НИИПИ Заказ 10956/67

Тираж 910 Подписное

Филиал ППП "Патент", :-r.Óæãàðîä,óë.ÏðîåêTíàÿ,4

73 10 трубки из газонепроницаемого материала с системами охлаждения, нагрева и подачи газовых смесей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что внутренняя трубка имеет на внешней пою верхности винтовую канавку, соединенную по концам с входным и выходным отверстиями.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Туманов А.А. и др, Применение транспортных реакций для концентрирования следов элементов. М., "Наука", 1970, с.185.

2, Русанов А.К. Основы количественного спектрального анализа руд и минералов, "Недра", 1971, с.48 (прототип).