Микроволновая пробоподготовка

Реферат

     на  тему «Микроволновая пробоподготовка »

     по  дисциплине «Мониторинг безопасности» 
 
 
 
 

Уфа - 2011 
 
 

    Содержание.

    Введение

    Глава I. Микроволновая пробоподготовка

    Глава II. Системы позволяющие проводить пробоподготовку

    Заключение

    Используемые источники 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение.

    Бурное  развитие естественных наук, опирающееся  прежде всего на существенное расширение технических возможностей проведения исследований, которое наблюдается в последние десятилетия, а также тесное переплетение достижений химии, физики, биологии и других областей естествознания привели к тому, что во второй половине XX века появились такие новые области химии, как лазерная химия, плазмохимия, фотохимия, химия высоких давлений. К числу этих новых разделов современной химии в последние 10-15 лет присоединилась и микроволновая химия.

    Микроволновая химия возникла на стыке физики и  химии. Она включает химические превращения с участием твердых диэлектриков и жидкостей, связанные с использованием энергии микроволнового поля или, как было принято говорить ранее, сверхвысокочастотного поля, то есть СВЧ-излучения. Было обнаружено, что микроволновое (МВ) излучение способно в десятки и сотни раз ускорять многие химические реакции, вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых образцов, эффективно (быстро и полностью) удалять влагу из твердых, в том числе и высокопористых, препаратов, модифицировать свойства различных сорбентов.

    В настоящее время МВ-излучение  наиболее широко используют в лабораторной практике при выполнении анализов различных  объектов живой и неживой природы (минералы, ягоды, фрукты, грибы), продуктов  питания, технических материалов (сплавы, шлаки, другие отходы производства).

    При выполнении анализов основные затраты  времени обычно связаны с пробоподготовкой, то есть с переводом всей или части  анализируемой пробы в форму, удобную для заключительного  аналитического определения анализируемого компонента. 

    Глава I. Микроволновая пробоподготовка.

    Подготовка  проб - очень важная часть экологического и химического анализа. Обычные  методы мокрого разложения, основанные на окислении пробы концентрированными кислотами, требуют много времени, постоянного слежения за ходом процесса, значительного расхода кислот (и загрязнения пробы), и во многих случаях не приводят к полному разложению органических веществ, мешающих получению точного результата анализа. В случае спектральных методов таких, как атомно-абсорбционный анализ (ААА), атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП), оборудование которых, в основном, рассчитано на измерение жидких образцов, пробоподготовка необходима для того, чтобы перевести определяемые элементы в раствор. Чаще всего для этих целей используют кислотное разложение, причем разложения проводят индивидуальными кислотами или смесью кислот. Традиционно разложение проводят в открытых или закрытых часовым стеклом химических стаканах, нагреваемых на электроплитах или другом подобного рода нагревательном оборудовании. В тех случаях, когда возможны потери определяемых элементов, разложение проводят в колбах с обратным холодильником.

    Современное обеспечение аналитических лабораторий  предлагает использовать для этих целей различные микроволновые системы. Использование микроволнового разложения позволяет увеличить эффективность разложения, сократить время разложения и уменьшить расход реактивов.

    Микроволновые системы могут быть открытого  и закрытого типа. Достоинства печей открытого типа в том, что можно разлагать пробы большей массы, а также пробы с повышенным содержанием органических веществ. В печах закрытого типа разложение проводится при повышенном давлении, что позволяет избежать потерь легколетучих элементов. Наиболее известные производители микроволновых печей для химического разложения: SEM corporation, Milesnone, Anton Paar.

    Использование МВ-излучения позволяет сократить  временные затраты при подготовке проб к анализу в десять-двадцать раз. От того, насколько правильно будет выполнена пробоподготовка, зависит точность и правильность работы оборудования. Именно из-за того, что подготовка проб была сделана неверно, происходит около 80% ошибок. Чтобы избежать подобных проблем, следует использовать современное и качественное оборудование для пробоподготовки.

    Микроволновое излучение с частотой  2,46 ГГц приводит в движение молекулы за счёт перемещения ионов и вращения  диполей, не вызывая при этом изменений в структуре молекул. Поглощение  микроволнового излучения за счёт указанных эффектов приводит к возрастанию температуры в объёме вскрываемой пробы, ускорению происходящих в растворах процессов массопереноса, диффузии, а также химических взаимодействий с участием растворителя. Микроволновой излучение генерируется магнетроном, передаётся с помощью  волновода в рабочий объём печи и распределяется по различным направлениям с помощью циркулятора. Для равномерного нагрева реакционные сосуды помещаются на вращающемся роторе. Одновременно ротор используется для обеспечения вентиляции, контроля температуры и давления в автоклавах.

    Микроволновая система пробоподготовки (система  микроволнового разложения проб) —  это продвинутая модульная система, предназначенная для разложения (растворения) образцов и подготовки их к элементному или хроматографическому анализу. Принцип, по которому действует МВ-излучение для пробоподготовки, заключается в быстром вскрытии различных объектов при помощи микроволнового поля. Микроволновая система пробоподготовки  позволяет  произвести разложение образца без каких-либо потерь, при этом действия происходят при высокой температуре и давлении. С помощью этого оборудования может проводиться подготовка проб горных пород, шлака, пищевых продуктов, почвы и т.п. Обычно пробоподготовка длится от 20 до 45 минут.

    Преимущества  системы микроволнового разложения в автоклавах:

1. многократное сокращение времени протекания реакции (за счет повышения температуры при повышенном давлении в закрытых системах и увеличения подвижности частиц в поле)
2. потери летучих элементов
3. загрязнение образца из атмосферы
4. уменьшают расход кислот
5. задерживают пары кислот, угрожающих безопасности и здоровью оператора
6. процесс протекает в автоматическом режиме без контроля оператора

    Микроволновое разложение проводят в сосудах, изготовленных из фторсодержащих полимеров, реже из кварца. При этом максимальная температура нагрева составляет 200 – 300 ºС, максимальное давление – до 100 атм (1500 psi) в зависимости от производителя и конкретной модели микроволновой печи. Как правило, один из сосудов, в которых проводят разложение, оснащен датчиками контроля температуры и давления. Часто для контроля температуры во всех сосудах используют инфракрасный датчик. В наиболее продвинутых моделях фирмы Anton Paar, контролируют давление во всех сосудах. Основные технические характеристики некоторых закрытых микроволновых систем для разложения проб приведены в таблице 1.

    Для разложения экологических образцов, в большинстве случаев, достаточно микроволновых печей простой  комплектацией. В связи с этим кажется интересной модель микроволновой печи производства фирмы SINEO (Китай), которая проста по комплектации, и при этом заметно дешевле большинства микроволновых систем.

    При разложении несложных экологических  образцов, микроволновые системы  разложения можно заменить более простыми системами - различными электротермическими нагревателями для разложения. В качестве примера можно привести электротермические нагреватели фирмы LabTech (Италия). В этих нагревателях  можно проводить разложение 54 образцов одновременно. Максимальная температура нагрева – 240 ºС. Точность поддержания температуры ± 1°. Удобный интерфейс позволяет программировать скорость нагрева и время поддержания заданной температуры.

    Таблица 1. Основные характеристики микроволновых систем для разложения проб

    Таким образом, для разложения экологических  проб можно эффективно использовать современное оборудование различной  производительности и сложности.

    Достоверность спектрального анализа определяется многими факторами, наиболее существенными из которых являются подготовка и ввод образцов, а также чистота используемых реагентов и посуды. Подходы, традиционно используемые для минерализации, озоления и разложения при пробоподготовке для методов атомной абсорбции и атомной эмиссии с индуктивно-связанной плазмой, устарели и давно не соответствуют уровню спектрального оборудования. Время, необходимое для полной минерализации проб, определяется в основном температурной, которая при традиционном нагревании не может быть выше температуры кипения используемой в реакции кислоты. Процесс может занимать часы и не гарантирует отсутствия потерь летучих элементов из объема пробы, также как и загрязнения пробы извне.

    Использование МВ-излучения приводит к существенному  сокращению как времени перевода пробы в раствор, так и времени концентрирования первичного раствора пробы. Сокращение времени растворения образца обусловлено действием трех факторов: обеспечением высокой температуры, созданием в контейнере-автоклаве (где размещена проба) высокого давления и специфического воздействия МВ-излучения на раствор. Кроме того, уменьшение времени подготовки пробы при использовании МВ-излучения может быть связано и с некоторыми специфическими особенностями анализируемой системы. Так, под воздействием МВ-излучения заметно ускоряются образование в растворе люминесцирующих комплексов (что важно при люминесцентном определении анализируемых элементов), время извлечения анализируемого иона на сорбенте или хроматографического разделения ионов и другие процессы.

    Перспективно  использование МВ-излучения для  экспрессного разложения органических проб с использованием кислот (HNO3 , HF), окислителей (пероксид водорода, персульфат калия). При этом разлагаемую пробу  помещают в автоклав, изготовленный, например, из фторированных углеводородов, прозрачных к МВ-излучению. Важное достоинство такого полимера, как тефлон, состоит в том, что изготовленный из него автоклав выдерживает нагрев до 200-250C и выше и давление до 10-50 атм.

    К помещенной в автоклав анализируемой  пробе добавляют необходимый раствор, автоклав герметично закрывают и помещают в МВ-печь. Наблюдается быстрый разогрев жидкости, причем ее температура может достигать 170-200C. В результате действия высокой температуры и повышенного давления резко возрастает скорость вскрытия анализируемых образцов.

    Традиционно также для химической практики использование  МВ-излучения для сушки и дегидратации проб. Особенности этих процессов  состоят в том, что обработке  МВ-полем подвергаются диэлектрики - высокодисперсные материалы (порошки), состоящие, как правило, из частиц небольших размеров (от долей микрометра до нескольких миллиметров). При прохождении МВ-излучения через весь объем отдельных частиц таких порошков его интенсивность ослабевает незначительно. Поэтому разогрев каждой частицы происходит сразу по всему объему. К тому же во многих случаях основной материал, подвергаемый сушке, сам по себе МВ-излучение практически не поглощает, так что разогрев порошка и удаление из него воды связаны только со способностью удаляемых молекул воды поглощать МВ-излучение и в результате разогреваться. Как только в порошке влаги не оказывается, его разогрев прекращается.

    Эти особенности приводят не только к  резкому уменьшению длительности сушки  под действием МВ-излучения, но и  к некоторым дополнительным эффектам, которые наблюдаются, например, на кристаллогидратах.

    Оказывается, что кристаллогидраты по их отношению  к МВ-полю можно разделить на три  группы. К первой группе принадлежат  кристаллогидраты, которые поглощают  МВ-излучение так сильно, что в них при наложении МВ-поля немедленно вспыхивает разряд и происходит глубокое разложение образцов (кристаллогидраты многих нитратов, органические кристаллогидраты). Ко второй группе можно отнести кристаллогидраты, которые из-за особенностей внутреннего строения МВ-излучение вообще не поглощают (например, кристаллогидраты некоторых фосфатов и сульфатов). Кристаллогидраты как первой, так и второй группы для МВ-обработки непригодны. И наконец, третью группу составляют кристаллогидраты, которые под действием МВ-излучения постепенно (за несколько десятков секунд или минут в зависимости от мощности излучения) разогреваются, что сопровождается удалением воды из их объема. К числу таких кристаллогидратов принадлежат, например, гипс CaSO4 " 2H2O, ВаСl2 " 2Н2О, тетраборат натрия Na2B4O7 " 5Н2O, кристаллогидраты некоторых фторидов переходных металлов, b-дикетонатные комплексы металлов. В этих случаях с помощью МВ-излучения можно, во-первых, быстро удалить из кристаллогидратов адсорбционную, слабо связанную воду (и получить, например, тетраборат натрия точного состава Na2B4O7 " 4,75Н2O), а также осуществить полное обезвоживание веществ.

    Оказалось, что в результате МВ-обработки, не связанной с нагреванием образца, термическая устойчивость кристалликов гипса заметно возрастает. Другие кристаллогидраты при обработке МВ-полем малой мощности ведут себя иначе. Так, если предварительно таким способом обработать некоторые кристаллогидраты фторидов переходных металлов, то при термическом нагреве до 500С из этих материалов удается удалить влагу более полно, чем в том случае, когда термической дегидратации подвергали образцы, которые предварительно МВ-полем не облучали.

    Перспективно  использование МВ-излучения для  регенерации различных осушителей и сорбентов, например активированного угля и цеолитов. При этом МВ-обработка может приводить к увеличению сорбционной емкости таких материалов и повышению их эффективности как сорбентов. 
 
 

    Глава II. Системы позволяющие проводить пробоподготовку.

    Можно рассмотреть подготовку проб на примере конкретной микроволновой системы. Например, система Multiwave 3000 – это продвинутая модульная система, предназначенная для подготовки образцов к таким процессам, как разложение, экстракция и выпаривание. Микроволновая печь мощностью 1400 Вт с двумя магнетронами и прецизионной технологией контроля обеспечивают быстрое и равномерное нагревание, безопасное протекание реакций и увеличение срока службы всех компонентов. Проверенная временем система обеспечения безопасности включает активные и пассивные устройства, сводящие риск неуправляемой реакции к минимуму. Принцип работы: свободные ионы улавливаются слабощелочными или кислотно-поглотительными растворами для последующего прямого определения методом ионной хроматографии, вольтамперометрии или атомной спектроскопии.

    Примеры использования системы Multiwave 3000:

    - озоление образцов для цементной  промышленности. В последнее время  вспомогательное топливо приобретает  все большее значение для цементной  промышленности по причине своей  низкой цены и соответствующего  вклада в выгодное экономически и экологически уничтожение отходов, например, использованных покрышек или пластмассового мусора. Высокая температура во вращающихся цементных печах – самое лучшее условие для сжигания пластмассовых отходов. Использованные автомобильные покрышки применяются в качестве вспомогательного топлива в течение долгого времени, потому что их состав, реакционные характеристики и влияние на конечный продукт хорошо известны. Анализ пластмассовых отходов гораздо более затруднен из-за большого количества различных материалов, например, пигментов или добавок, используемых для бутылок и пленок. Цемент очень чувствителен к цинку и следам других металлов, но в наибольшей степени – к хлору. Поэтому перед сжиганием необходимо отделить ПВХ, а материалы для упаковки пищи должны быть промыты, чтобы избежать попадания хлора с остатками хлористого натрия.

    По  данной причине необходимо полное озоление и анализ дробленых отходов. Для  этого требуются высокая степень  разложения и точное управление реакцией вследствие неоднородного состава мусора. Традиционные методы подготовки образцов в цементных лабораториях – плавка в тиглях и выщелачивание в соляной кислоте на нагревательной плите. Плавленые образцы анализируются с помощью рентгеновской флуоресценции, выщелоченные растворы – с помощью атомно-абсорбционная спектрофотометрии.

    В настоящее время усложненные  системы жидкостного разложения все в большей степени заменяют методики с расплавлением, чтобы  избежать загрязнений от твердых  реактивов, для которых недоступна такая же степень чистоты, как для кислот. В большинстве случаев для жидкостного разложения необходимо меньше ручной работы, оно быстрее, чем плавка, и поэтому более эффективно.

    - озоление с помощью микроволнового  облучения для анализа пищевых  продуктов.  Пищевые продукты промышленного производства и сырье для них, продукты сельского хозяйства, относятся к наиболее изученным и постоянно проверяемым субстанциям в повседневной жизни. Так как качество пищи влияет на здоровье людей, химический анализ требуется законами большинства стран. Анализ на содержание микроэлементов, например, токсичных тяжелых металлов, таких как свинец, кадмий или ртуть, является повседневной задачей в промышленных и государственных лабораториях по проверке пищевых продуктов. При отслеживании и контроле качества пищевых продуктов вся цепочка анализов должна удовлетворять высоким требованиям к точности анализа. Часто необходим постоянно повторяющийся анализ больших партий образцов. Основную проблему представляет собой озоление образцов: необходимо мощное оборудование, с высокой производительностью обработки образцов и надежными результатами анализа, чтобы исключить источники систематических ошибок. Современные системы озоления с помощью микроволнового облучения обеспечивают скорость выполнения операций, простоту обращения, уменьшенный расход реактивов высокой чистоты и минимальное загрязнение и потерю анализируемых веществ.

    - УФ-озоление жидких проб под  воздействием микроволнового облучения. УФ-озоление под воздействием микроволнового облучения в закрытых сосудах под давлением с помощью погружной, безэлектродной кадмиевой газоразрядной лампы – новый выгодный подход к подготовке проб. Фотохимический процесс УФ-окисления представляет собой перспективный вариант разложения растворенного органического углерода в жидких пробах, например, в грязной воде, в напитках и в масле. УФ-облучение растворов, содержащих небольшие количества Н2О2, приводит к образованию нескольких высокоактивных веществ-окислителей, например, синглетного кислорода, супероксидных ионов, гидроксильных или галогенных радикалов, которые ускоряют разложение органических веществ. Для проведения УФ-озоления под воздействием микроволнового облучения кадмиевые газоразрядной лампы погружаются в раствор пробы внутри каждого из реакционных сосудов. Микроволновое облучение используется для передачи энергии газоразрядным лампам. Интенсивность УФ-облучения определяется энергией микроволнового облучения, поглощаемого встроенной антенной лампы. Дальнейшего улучшения можно добиться с помощью дополнительной подачи кислорода под давлением в сосуд для озоления. Из кислорода под воздействием УФ-облучения образуется озон, которым поддерживается окисление органических молекул радикалами ОН. В ходе таких исследований озоление выполнялось с введенными УФ-лампами, а также при различных условиях по давлению. Эффективность озоления изучалась с помощью измерения растворенного органического углерода.

    - выпаривание. Перед разложением  водные образцы можно уменьшить  в объеме, чтобы увеличить концентрацию  определяемых элементы. Кроме этого, после разложения может возникнуть необходимость выпарить нежелательные реагенты или понизить кислотность раствора. 

Заключение.

    Эффективность пробоподготовки с помощью микроволновых  систем для растительных объектов, пищевых продуктов, косметики и других объектов биологического происхождения неоспорима. Этот способ подготовки проб имеет ряд принципиальных преимуществ (эффективность, высокая производительность, возможность контроля за ходом процесса, безопасность работы), что и является причиной его широкого внедрения в мировую практику аналитической химии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Используемые  источники.

1. Кингстон Г. М. Пробоподготовка в микроволновых печах. Теория и практика. -1991. – 337 с.
2. http://www.himkontrol.ru