Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

Сенсометрическое определение паров автомобильных бензинов в воздухе

Коренман Я.И. Киселев А.А.
В диагностике газовых сред возрастающее применение находят сенсорометрические методы. Для контроля содержания газов в воздухе особенно перспективен метод пьезокварцевого микровзвешивания, основанный на зависимости собственной частоты колебаний кварцевой пластины (резонатора) от изменения массы на ее поверхности в результате сорбционного взаимодействия.

Значительное содержание углеводородов (парафиновых, ароматических, олефиновых) в воздухе [2] и сложности их разделения обусловливают необходимость их суммарного определения, например при разливах бензинов или других моторных топлив. В соответствии с требованиями безопасности предельно допустимые концентрации паров бензинов в воздухе составляют 100 мг/м3 [1].

Нами изучено сенсорометрическое определение автомобильных бензинов (А-76, АИ-93, АИ-95) в воздухе с применением пьезокварцевых микровесов [4,5]. В экспериментальной установке применяли пьезокварцевые резонаторы АТ-среза (колебания типа «сдвиг по толщине») с серебряными электродами и собственной частотой колебаний 9 МГц. Анализируемый воздух 2 мин продували через фильтрующий патрон в ячейку детектирования и герметично закрывали ее заглушкой. Патрон представляет собой стеклянную трубку с тремя секциями, заполненную поглотительным порошком для улавливания непредельных и ароматических углеводородов, мешающих определению, и хлоридом кальция для улавливания паров воды.

Поглотительный порошок для улавливания непредельных углеводородов. Растворяли 4 г Hg2SO4 в 20 см3 H2SO4 (х.ч.) при небольшом нагревании и перемешивании. Добавляли 50 г шамота и перемешивали до равномерного смачивания зерен. Порошок высушивали при постоянном перемешивании 15-20 мин и остывшим порошком заполняли фильтрующий патрон.

Поглотительный порошок для улавливания ароматических углеводородов. Шамот обрабатывали 3%-ным раствором AgNO3 в H2SO4 (r = 1,84 г/см3) и затем порошком заполняли фильтрующий патрон.

Отработавший патрон характеризуется образованием расплывшихся от увлажнения зерен СаСl2 и изменением окраски порошка, обработанного раствором H2SO4. Применение фильтрующего патрона позволяет определять бензины в присутствии паров воды, непредельных и ароматических углеводородов.

В качестве модификатора поверхности электродов пьезосенсора применяли раствор b-циклодекстрина в этаноле. Молекула b-циклодекстрина состоит из 7 a-D-глюкопиранозных звеньев, соединенных (1-4)-гликозидными связями, и имеет форму перевернутого усеченного конуса. Первичные и вторичные ОН-группы расположены на узком и широком концах конуса, обеспечивая хорошую растворимость в воде при относительно гидрофобной внутренней поверхности, где находятся атомы Н и гликозидные атомы О. Такая структура b-циклодекстрина позволяет включать во внутреннее пространство молекулу "гостя" (субстрата) соответствующих форм и размеров [3]. Сорбент наносили методом статического испарения капли так, чтобы после удаления растворителя масса модификатора составляла 20 мкг. Массу равномерно распределенного на сенсоре пленочного покрытия модификатора рассчитывали по уравнению Зауербрея

Δfм = -2,3×10-6×f02×m/Aэ,                (1)

где Δfм - изменения частоты колебаний кварцевого резонатора, вызванное нанесением модификатора, МГц; f0 - рабочая частота резонатора, МГц; Aэ - площадь электродов резонатора, см2; m - масса модификатора, нанесенная на поверхность электродов, г.

Подготовленный пьезосенсор помещали в детектор и включали в схему высокочастотного кварцевого генератора. Секундомером отсчитывали время, после которого сигнал пьезосенсора не изменялся, и регистрировали аналитический сигнал. Для проведения следующего измерения проводили регенерацию сорбционного покрытия и вентиляцию ячейки детектирования путем пропускания через нее осушенного лабораторного воздух до выхода сигнала пьезосенсора на начальный уровень.

Нанесенная на поверхность пьезокварцевого резонатора пленка b-циклодекстрина взаимодействует с парами автомобильных бензинов. Образование связей с поверхностью β-циклодекстрина происходит за счет проникновения во внутреннее пространство сорбента молекул бензина и удерживания там в результате неспецифических взаимодействий.

Установлено, что коэффициенты распределения бензинов между газовой фазой и пленкой сорбента, а также чувствительность b-циклодекстрина возрастают с увеличением октанового числа бензинов (табл.1).

Чувствительность S (Гц×м3/мг) - отношение изменения частоты сенсора в результате сорбции (Δfс) к концентрации автомобильного бензина в газовой фазе (сг)

S = Δfс / сг.                     (2)

Предел обнаружения Δ (г/м3) - концентрация определяемого бензина, при которой выполняется соотношение (3)

D = 3Δfст / S,                               (3)

где Δfст - стандартное отклонение результата контрольного определения, его рассчитывают по уравнению (4)

Δfст = fш),                         (4)

где Δfш - стандартное отклонение результата измерения частоты пьезоэлектрического кварцевого резонатора.

Коэффициент √2 отражает известную особенность пьезокварцевого микровзвешивания: концентрацию определяемого вещества оценивают по разности двух значений собственной частоты сенсора. Приводим некоторые характеристики пьезосенсора:

 

марка автомобильного бензина

предел обнаружения х103, г/м3

чувствительность х10-3, Гц×м3/мг

А-76

2,2

9,6

АИ-93

1,6

13,3

АИ-95

1,3

16,8

Содержание бензинов в воздухе находили по градуировочному графику в координатах: концентрация бензина - аналитический сигнал сенсора. Для построения графика проводили серию измерений известных  концентраций бензинов в воздухе методом пьезокварцевого микровзвешивания.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Бензины автомобильные. ГОСТ 2084 - 77. - Введ. 1979-01-01. М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1986.
  2. Другов Ю.С., Беликов А.Б., Дьякова Г.А., Тульчинский В.М.. Методы анализа загрязнений воздуха. М.: Химия. 1984. 384 с.
  3. Коренман Я.И., Киселев А.А. Изучение сорбции бензола и его гомологов методом пьезокварцевого микровзвешивания // Журн. физ. химии. 2005. Т. 79, № 9. С. 1724.
  4. Коренман Я.И., Киселев А.А. Идентификация бензинов методом «распознавания образов» // Сенсор. 2003. № 3 - 4. С. 35.
  5. Коренман Я.И., Киселев А.А., Калач А.В. Способ экспресс-идентификации бензинов / Патент 2248571 Россия, МПК 7 G 01 N 33/22. // Изобретения. 2005. № 8, ч. II. С. 495.

Библиографическая ссылка

Коренман Я.И., Киселев А.А. Сенсометрическое определение паров автомобильных бензинов в воздухе // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 8. – С. 83-84;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=24813 (дата обращения: 06.06.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074