Методические указания

Методичка. Определение загрязнения воздуха рабочей зоны органическими веществами методом газовой хроматографии

Категория:

Методические указания

Дисциплина:

Экология

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Стоимость работы:

бесплатный

Оценка: 10
Объем страниц: 9
Год сдачи: 2020
Дата публикации: 25.11.2020

Фрагменты для ознакомления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Определение загрязнения воздуха рабочей зоны органическими веществами методом газовой хроматографии

 

Цель работы:

Определить летучие органические вещества и их концентрацию в воздухе рабочей зоны методом газовой хроматографии.

Введение

В настоящее время в промышленности интенсивно развиваются производства органического (нефтехимического) синтеза, создаются новые отрасли химической и перерабатывающей промышленности. Синтез и переработка полимерных материалов, производство металлорганических соединений, синтетического каучука и резины, эпоксидных, полиуретановых, фенолоформальдегидных смол, синтетического волокна, высокомолекулярных амино-соединений, антиоксидантов, теплоносителей, смазочно-охлаждающих жидкостей, технологических смазок, новых видов топлива, производство растворителей и другие процессы основной химии и нефтехимических производств, а также текстильная, пищевая, металлургическая промышленность, машиностроение, производство удобрений и ядохимикатов приводят к значительному загрязнению воздуха рабочей зоны1 токсичными летучими органическими соединениями.

Степень загрязнения воздуха производственных помещений зависит от типа производства и отрасли промышленности (цех завода, шахта, рудник и т. п.), особенностей технологического процесса, оборудования и планировки помещения, системы вентиляции и свойств используемого сырья. Количества токсичных химических соединений, попадающих в зону дыхания работающего, примерно на порядок (а часто и значительно больше) превосходят концентрации загрязнителей атмосферы.

При вдыхании летучие органические соединения оказывают наркотическое воздействие и отрицательно влияют на нервную систему, кроветворные органы, слизистую оболочку глаз и верхние дыхательные пути. 

Существует несколько возможностей сокращения или предотвращения выбросов органических соединений: 

  • замена органических соединений, например, использование водяных ванн для обезжиривания и применение красок, клея с низким содержанием ЛОС или без них;
  • сокращение выбросов путем рационального ведения хозяйства, своевременного ремонтно-технического обслуживания и др.;
  • рециркуляция и рекуперация ЛОС с применением методик адсорбции, абсорбции и мембранных методов сбора. 

Повышенные концентрации летучих органических соединений в воздухе предприятий могут вызвать не только отклонения в состоянии здоровья, а при определенной длительности и интенсивности воздействия привести к развитию профессиональных заболеваний (интоксикаций) и увеличению профессионально обусловленной заболеваемости. Следовательно, мониторинг воздуха рабочей зоны является актуальной задачей. 

Наиболее эффективным методом анализа содержания летучих органических соединений в воздухе рабочей зоны в настоящее время является газовая хроматография. 

 

Газовая хроматография

Хроматография — это физико-химический метод анализа, который основан на разделении и различном распределении смеси между двумя несмешивающимися фазами — неподвижной и подвижной. 

В зависимости от типа взаимодействия, оформления и агрегатного состояния различают следующие типы хроматографии: газовая, жидкостная, тонкослойная хроматография и др.

Разделение в газовой хроматографии основано на различном распределении молекул разделяемых компонентов между движущейся газовой и неподвижной твердой фазами. Между этими фазами для каждого компонента анализируемой смеси в колонке устанавливается динамическое равновесие. Разделение сложных веществ происходит в газовой или паровой фазе.

Среди всех методов хроматографического анализа газовая хроматография пользуется наибольшей популярностью. Это связано с универсальностью применяемых методов анализа в отношении многих классов летучих и термически устойчивых веществ, высокой разделительной способностью хроматографических колонок, малой продолжительностью анализа в расчете на один компонент, высокой чувствительностью, малой величиной анализируемой пробы и высокой точностью.

В то же время метод имеет и недостатки, связанные прежде всего с техническими трудностями при анализе высококипящих жидкостей, твердых и нелетучих веществ.

В качестве подвижной фазы используется газ (как правило, инертный), неподвижная фаза представляет собой либо пористый твердый сорбент, либо жидкость, нанесенную тонким слоем на твердый носитель или на стенки длинной капиллярной трубки.

Принцип разделения веществ в газовой хроматографии — неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. После прохождения колонки последовательно выходят из нее и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается автоматическим потенциометром (самописцем) или регистрируется компьютером.

 

Принципиальная схема газового хроматографа

Газовый хроматограф представляет собой прибор, использующий принцип хроматографии в системах газ-адсорбент или газ-жидкость. В аппаратурном оформлении это совокупность нескольких самостоятельных, параллельно функционирующих систем: источник газа-носителя и блок подготовки газов, испаритель, термостат колонок и сами хроматографические колонки, детектор, система регистрации и обработки данных. 

Типичная блок-схема газового хроматографа изображена на рис. 3.1. 

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема газового хроматографа.

1- система подготовки газов; 2 - система дозирования; 3 - колонка; 4 - система термостатирования; 5 - система детектирования; 6 - блок питания детектора; 7- усилитель сигнала детектора; 8 - регистратор (самописец, компьютер); 9 - измерители режима хроматографа (раcход газов, стабилизация температур и электрического питания детекторов)

Газовые функциональные связи показаны стрелками, электрические — одинарной линией, термостатируемые элементы заключены в пунктирный контур. 

Система подготовки газов служит для установки, стабилизации и очистки потоков газа-носителя и дополнительных газов. Она включает блок регулировки расходов газов, обеспечивающий очистку, подачу и стабилизацию скорости и расхода газа-носителя в колонку, а также других газов, необходимых для работы детектора, например, воздуха и водорода для пламенно-ионизационного детектора. 

Система дозирования позволяет вводить в поток газа-носителя определенное количество анализируемой смеси в газообразном или жидком состоянии. Представляет собой устройство с самоуплотняющейся резиновой мембраной или кран-дозатор. Устройство ввода пробы необходимо термостатировать при температуре, равной температуре колонки или выше на 20-30 °C

Система детектирования преобразует соответствующие изменения физических или физико-химических свойств бинарных смесей (компонент — газ-носитель по сравнению с чистым газом носителем) в электрический сигнал. Величина сигнала зависит как от природы компонента, так и от содержания его в анализируемой смеси.

Система термостатирования служит для установки и поддерживания рабочих температур термостатов колонок (до 350 °С), испарителя, детектора и других узлов хроматографа. 

Система регистрации преобразует изменения физико-химических параметров в электрический сигнал, величина и форма которого регистрируются на ленте самописца или в современном варианте на мониторе компьютера. Прибор должен быть снабжен соответствующим электрометрическим усилителем, обеспечивающим получение на выходе электрического сигнала, пропорционального концентрации определяемого компонента в газе-носителе, выходящем из колонки. 

Система инструментальной обработки данных позволяет вести управление экспериментом и обработку результатов в диалоговом режиме. С помощью компьютерных программ, имеющих алгоритм распознавания и сформированных банков данных, можно решать задачи расшифровки сложных хроматограмм и количественного определения компонентов. 

Рассмотренная схема типична для обычного газового хроматографа, используемого в количественном анализе, однако газовый хроматограф может иметь гораздо более сложную схему, содержащую несколько колонок и детекторов, включающий автоматические устройства для подготовки и дозирования пробы.

 

Приборы, аппараты, посуда

  • Хроматограф газовый лабораторный серии Цвет-500
  • Стандартизированный модуль газохроматического разделения МР 500-1
  • Сушильный шкаф
  • Шприц медицинский на 1 мл и 5 мл ГОСТ 18137-77
  • Микрошприц МШ-10 ГОСТ 8043-75
  • Шприц медицинский на 50 мл ГОСТ 18137-77
  • Секундомер ГОСТ 5072-79
  • Колба 1-2000-2, 1-1000-2, 1-500-2, 1-250-2, 1-100-2 ГОСТ 1770-74
  • Пипетка 2-50-2 ГОСТ 1770-74
  • Бюретка 2-2-25 ГОСТ 20292-74
  • Откалиброванная стеклянная емкость объемом 5000 мл
  • Откалиброванная стеклянная емкость объемом 1500 мл 

Примечание. В качестве модуля разделения используется хроматографическая колонка длиной 2 м диаметром 2 мм из нержавеющей стали, набитая хроматом N - АW, фракции 0,16-0,20 (0,125-0,16), пропитанном 10 % (15 %) апиезона L. 

 

Реактивы, растворы, материалы

Ацетон, осч, бензол, хч, бутанол, хч, бутилацетат, хч, о-ксилол, хч, м-ксилол, хч, толуол, хч, этилацетат, хч, азот газообразный ГОСТ 9293-74 в баллонах с редуктором, водород газообразный ГОСТ 3022-80 в баллонах с редуктором, воздух ГОСТ 11882-73 для питания автоматических приборов и средств автоматизации, спирт этиловый ГОСТ 18300-72. 

Порядок выполнения работы

Отбор пробы

При газохроматографическом анализе производится точечный отбор пробы. Для контроля состояния атмосферы над большими площадями используется отбор проб во многих точках. 

Отбор пробы воздуха проводят в медицинские шприцы на 100-50 мл, предварительно «промыв» их десятикратным объемом анализируемого воздуха. После отбора пробы шприцы герметизируют резиновой заглушкой. 

Отобранные пробы хранятся не более 8 часов. 

Подготовка к измерению

Подготовка модуля разделения МР 500-1 к работе производится согласно ТУ на стандартизованные модули газохроматографического разделения серии МР для системы «УСХА-ГАЗ» 5Е4.462.029 ПС. 

Подготовка хроматографа к работе осуществляется согласно ТО на прибор.

Стандартные паровоздушные смеси ПВС №1 (с концентрацией С1 = 150 ПДК) и стандартные ПВС №3 (с концентрацией С3 = 1500 ПДК) готовят в предварительно откалиброванной емкости объемом V, для этого в герметически закрытую емкость V вводят шприцем рассчитанное количество анализируемого компонента для ПВС №1 и для ПВС №3. 

Рабочие паровоздушные смеси №2 (с концентрацией С2 = 1 ПДК) готовят разбавлением стандартной ПВС №1. Для этого из предварительно прогретой в течение 10 мин при t = 80 0С емкости V отбирают шприцем 10 мл ПВС №1. Шприц также прогревают в течение 10 мин при t = 80 °С в сушильном шкафу и вводят ПВС №1 в герметически закупоренную откалиброванную емкость V. 

Рабочие ПВС №4 (с концентрацией С4 = 5 ПДК) готовят разбавлением стандартной ПВС №3, используя тот же метод, что и при приготовлении рабочей ПВС №2. 

Срок хранения паровоздушных смесей 8 часов. 

Для проведения количественного анализа используют метод абсолютной калибровки

На основании экспериментальных данных, приведенных в табл. 3.2, строят графическую зависимость значений высот пиков (h) в мм от содержания анализируемого вещества (а) в мкг. 

Калибровочные графики строятся для всех определяемых веществ. Калибровочные прямые строят не менее чем по пяти точкам. 

Условия хроматографирования градуировочных смесей и анализируемых проб:

температура термостата колонок              80 °С 

температура термостата испарителя         205 °С 

температура термостата детекторов          100 °С

расход газа-носителя (азот)                        25,5 см3/мин

расход водорода                                          31 см3/мин

расход воздуха                                             300 см3/мин

скорость диаграммной ленты                     200 мм/ч 

Проведение измерения

Для определения концентраций анализируемых веществ в пробе из шприца емкостью 50 мл отбирают дозу, равную 1 мл, и вводят в испаритель хроматографа. Шприц емкостью 50 мл (с пробой) и шприц емкостью 1 мл предварительно прогреваются в течение 10 мин при 80 °С. 

Расшифровка хроматограммы

По времени удерживания идентифицируют каждый из определяемых компонентов (табл. 3.1). 

Таблица 3.1 

Время удерживания веществ

 

Вещество

Время удерживания

Ацетон

30 с

Этилацетат

46 с

Бутанол

1 мин 15 с

Бензол

1 мин 26 с

Бутилацетат

2 мин 35 с

Толуол

3 мин 09 с

М-ксилол

6 мин 41 с

О-ксилол

8 мин 10 с

Для количественного анализа определяют высоту пика анализируемого вещества и по калибровочному графику определяют количество вещества измеряемого компонента. 

При проведении анализа с чувствительностью БИД-З6 32•1010 (для первого диапазона концентраций анализируемых веществ полученное значение высоты пика для бутанола, бензола, толуола, о- и м-ксилолов делят на 2, а для ацетона, этилацетата, бутилацетата результат делят на 4.

Расчет концентрации

Концентрацию определяемых веществ в воздухе (мг/м3) вычисляют по формуле: 

                                                  (3.1)

 

где а — количество определяемого вещества по калибровочному графику, мкг; 

V20 — объем воздуха, взятый для анализа в мл и приведенный к стандартным условиям по формуле

                              (3.2) 

 

где V — объем воздуха, взятый для анализа, мл; 

Р — атмосферное давление, мм рт. ст.; 

t0 — температура воздуха в месте отбора проб. 

Таблица 3.2 

Зависимость высоты пика от количества вещества

 

Вещество

Количество вещества, мкг

0,005

0,01

0,02

0,03

0,04

Высоты пиков, мм

Ацетон

7

9

11

13

16

Этилацетат

8

10

16

23

28

Бутанол

6

12

23

35

47

Бензол

19

25

36

47

56

Бутилацетат

5

8

12

17

20

Толуол

31

53

92

130

170

М-ксилол

20

29

48

68

87

О-ксилол

12

33

55

76

98

Таблица 3.3

Предельно допустимые концентрации

 некоторых веществ в рабочей зоне, мг/м3

Вещество

ПДК

Ацетон

200

Этилацетат

200

Бутанол

200

Бензол

50

Бутилацетат

50

Толуол

50

М-ксилол

15

О-ксилол

10

Таблица 3.4

Таблица результатов анализа хроматограммы

№ п/п

Время удержания tуд, мин

Вещество

Высота пика h, мм

Количество веществ a, мкг

Концентрация, мг/м3

ПДК, мг/м3

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

Структура и содержание отчета

  1. Название работы.
  2. Цель работы.
  3. Принципиальная схема газового хроматографа (рис. 3.1).
  4. Результаты количественного и качественного анализа хроматограммы в виде табл. 3.4.
  5. Вывод.

Контрольные вопросы

  1. Перечислите источники поступления ЛОС в воздух рабочей зоны.
  2. В чем заключается опасность ЛОС для здоровья работающих?
  3. Перечислите методы снижения количества ЛОС в воздухе производственных помещений.
  4. В чем заключается сущность метода газовой хроматографии?
  5. Как определяется качественный состав смеси?
  6. Каким образом определяется концентрация веществ в пробе?

 

Ответы на вопросы

  1. Поскольку ЛОС – это самые разные органические вещества, источником их поступления в воздух помещений может служить что угодно – мебель, строительные и отделочные материалы, парфюмерия и косметика, моющие средства и другая бытовая химия, игрушки, одежда, обувь, табачный дым и приготовление пищи. Летучие органические соединения могут поступать в помещение и из воздуха с улицы, где также множество источников ЛОС – транспорт и промышленность, трава и деревья.
  2. При вдыхании летучие органические соединения оказывают наркотическое воздействие и отрицательно влияют на нервную систему, кроветворные органы, слизистую оболочку глаз и верхние дыхательные пути. 
  3. Существует несколько возможностей сокращения или предотвращения выбросов органических соединений: 
  • замена органических соединений, например, использование водяных ванн для обезжиривания и применение красок, клея с низким содержанием ЛОС или без них;
  • сокращение выбросов путем рационального ведения хозяйства, своевременного ремонтно-технического обслуживания и др.;
  • рециркуляция и рекуперация ЛОС с применением методик адсорбции, абсорбции и мембранных методов сбора. 

4. Разделение в газовой хроматографии основано на различном распределении молекул разделяемых компонентов между движущейся газовой и неподвижной твердой фазами. Между этими фазами для каждого компонента анализируемой смеси в колонке устанавливается динамическое равновесие. Разделение сложных веществ происходит в газовой или паровой фазе.

5. Стандартные паровоздушные смеси ПВС №1 (с концентрацией С1 = 150 ПДК) и стандартные ПВС №3 (с концентрацией С3 = 1500 ПДК) готовят в предварительно откалиброванной емкости объемом V, для этого в герметически закрытую емкость V вводят шприцем рассчитанное количество анализируемого компонента для ПВС №1 и для ПВС №3. 

Рабочие паровоздушные смеси №2 (с концентрацией С2 = 1 ПДК) готовят разбавлением стандартной ПВС №1. Для этого из предварительно прогретой в течение 10 мин при t = 80 0С емкости V отбирают шприцем 10 мл ПВС №1. Шприц также прогревают в течение 10 мин при t = 80 °С в сушильном шкафу и вводят ПВС №1 в герметически закупоренную откалиброванную емкость V. 

Рабочие ПВС №4 (с концентрацией С4 = 5 ПДК) готовят разбавлением стандартной ПВС №3, используя тот же метод, что и при приготовлении рабочей ПВС №2. 

6. Для определения концентраций анализируемых веществ в пробе из шприца емкостью 50 мл отбирают дозу, равную 1 мл, и вводят в испаритель хроматографа. Шприц емкостью 50 мл (с пробой) и шприц емкостью 1 мл предварительно прогреваются в течение 10 мин при 80 °С. 

221