Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОГО КОНДЕНСАТА ИЗ ВОЗДУХА И СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРИМЕСЕЙ ИЗ ВОЗДУХА, ОСУЩЕСТВЛЯЕМЫЙ НА ЭТОЙ УСТАНОВКЕ

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. %.