Часть 3. Лабораторные работы Лабораторная работа № 1 определение массовой концентрации тяжелых металлов в воде методом атомно-абсорбционной спектрометрии

1. Задачи работы.

1. Изучение принципа работы и устройства атомно-абсорбционного спектрометра «МГА-915».

2. Изучение блок-схемы атомно-абсорбционного спектрометра (ААС).

3. Изучение взаимодействия основных узлов ААС между собой.

4. Изучение устройства источника света, атомизатора.

5. Определение массовой концентрации тяжелых металлов в предложенной пробе.

2. Предварительные сведения.

Особое место среди загрязняющих веществ занимают тяжелые металлы. Тяжелые металлы – это металлы с большим атомным весом (свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, ванадий, кадмий и др.), которые при антропогенном рассеивании загрязняют окружающую среду, оказывая токсичное воздействие на живые организмы и природные экосистемы. Основными источниками их служат: металлургические предприятия, производство стекла, удобрений, цемента, сжигание угля, нефти и различных отходов, выбросы автотранспорта и пр.

Наибольшее распространение для измерения содержания тяжелых металлов в объектах окружающей среды получили спектроскопические методы, такие как атомно-эмиссионный, атомно-флуоресцентный и атомно-абсорбционный.

Для измерений массовой концентрации таких металлов, как Al, Ba, Be, V, Bi, W, Fe, Ca, Cd, Co, Si, Mg, Mn, Cu, Mo, Ni, Sn, Pb, Ti, Cr, Zn в воде, в пищевых продуктах, почвах, воздухе рабочей зоны и промышленных выбросах и.т.д. широко используется метод атомно-абсорбционного анализа.

3. Описание экспериментальной установки.

В данной лабораторной работе предлагается измерить содержание тяжелых металлов на современном ААС «МГА-915» (ООО «Люмекс», РФ)

Анализатор «МГА-915» предназначен для экспрессного определения содержания металлов в производственных растворах и в твердых продуктах (после их предварительного перевода в раствор). Он может быть использован в аналитических лабораториях промышленных предприятий и исследовательских организаций.

Рис. 3.1.1 Функциональная схема спектрометра «МГА-915»: 1-источники резонансного излучения (лампы с полым катодом или ВЧ-лампы); 2 – объектив; 3 - поворотное зеркало; 4 - поляризатор; 5 - оптоакустический модулятор; 6 - кварцевая пластинка; 7 - фазовая пластинка; 8 – 10 объективы; 9 - магнит; 11 - графитовая кювета; 12 - поляризационный компенсатор; 13 - входная щель монохроматора; 14 - зеркальная сферическая дифракционная решетка; 15 - выходная щель монохроматора; 16 - фотоэлектронный умножитель; 17 - усилители и аналого-цифровые преобразователи; 18 - компьютер; 19 - кварцевые окна

Спектрометр «МГА-915» (рис.3.1.1) состоит из источников резонансного излучения 1 (лампы с полым катодом или ВЧ-лампы), помещенных в барабан револьверной системы, используемой для автоматической смены источников спектрального излучения; объектива 2, поворотного зеркала 3, поляризатора 4, оптоакустического модулятора 5, наклонной кварцевой пластинки 6, фазовой пластинки 7, объективов 8 и 10, магнита 9, графитовой кюветы 11, поляризационного компенсатора 12, входной щели монохроматора 13, зеркальной сферической дифракционной решетки 14, выходной щели монохроматора 15, фотоэлектронного умножителя 16, усилителей и аналого-цифровых преобразователей 17. Спектрометр управляется компьютером 18. 19-кварцевые окна.

Резонансное излучение от источника (1) проходит через поляризационную оптическую систему (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) и графитовую кювету с пробой (11), представляющую собой трубчатую печь (графитовая кювета Массмана), покрытую слоем пиролитического графита (длина печи - 28 мм, внутренний диаметр - 6 мм, внешний - 8 мм). Кювета расположена в воздушном зазоре между полюсами магнита, причем линии магнитной индукции последнего перпендикулярны оптической оси. Магнит представляет собой основную часть системы коррекции фона, основанной на эффекте Зеемана. Корректор фона позволяет устранить влияние дрейфа источника излучения и компенсирует фоновое поглощение для повышения точности измерений.

Эффект Зеемана заключается в том, что в магнитном поле линия поглощения атома расщепляется на две компоненты, которые "разъезжаются" в стороны. При включённом магнитном поле, на месте аналитической линии остаётся только фон. Процесс измерения на приборе, оснащённом Зееман-корректором, осуществляется в два этапа. На первом этапе измеряется суммарное поглощение линии и фона, а на втором измеряется поглощение фона. Разность этих сигналов пропорциональна концентрации определяемого элемента. В магнитном поле линия излучения от источника расщепляется на две компоненты, одна из которых поглощается атомами определяемого элемента и мешающими частицами, другая - только мешающими частицами. Разность этих сигналов в точности пропорциональна концентрации определяемого элемента.

В данном приборе Зеемановская коррекция осуществляется при постоянно включенном магнитном поле. Оптическая система, состоящая из поляризатора 4, оптоакустического модулятора 5, наклонной кварцевой пластинки 6 и фазовой пластинки 7 осуществляет частотную модуляцию линейно и перпендикулярно поляризованных компонент аналитического сигнала. При этом аналитический сигнал параллельно поляризованный поглощается, а перпендикулярно поляризованный – не поглощается, в то время как фоновый сигнал не поглощается. Оптическая система позволяет измерять только полезный аналитический сигнал.

Излучение, прошедшее через графитовую кювету, с помощью объектива (10) и поляризационного компенсатора (12) фокусируется на входной щели монохроматора (13), и попадает на зеркальную дифракционную решетку (14), которая выделяет спектральный интервал, содержащий используемую резонансную линию определяемого элемента. Далее излучение фокусируется на выходной щели монохроматора (15), усиливается ФЭУ (16), преобразуется с помощью АЦП (17) в электрический сигнал и поступает на компьютер (18).

Прежде, чем атомизировать пробу, ее нужно сначала подготовить, поэтому нагрев графитовой печи проходит по определенной температурной программе (рис. 3.1.2).

Рис. 3.1.2. Температурная программа графитовой печи.

I этап – испарение воды из пробы, II этап – пиролиз, III этап – атомизация, IV этап – очистка, V этап – охлаждение печи.

Электрический ток проходит через на тонкостенную графитовую трубку кюветы, которая вставляется между массивными токопроводами и нагревает ее. Вокруг графитовой трубки с постоянной скоростью пропускается инертный газ, который попадает из баллона в пространство между графитовой трубкой и кожухом. Также инертный газ пропускается во внутреннее пространство трубки и через отверстие для пробы выходит наружу. Для контроля расхода газа в схеме используются расходомеры и два электромагнитных электроклапана. Блок управления вырабатывает команды для открытия клапанов, которые открывают и закрывают газовые потоки, протекающие через атомизатор. Инертный газ предохраняет нагретые части графитовой печи от воздействия атмосферного кислорода и способствует удалению испаренной и атомизованной пробы. Для нагрева печи требуются большие токи, поэтому нужна система охлаждения контактов. Для охлаждения токопроводов и кюветы (графитовой печи) служат контакт-холодильники, по которым циркулирует вода. Вода поступает из системы водяного охлаждения, которая представляет собой помпу с соединительными шлангами. Доступ воды в графитовую печь открыт при наличии соответствующего сигнала с блока управления, который появляется в момент начала нагревания кюветы. После чего вода начинает циркулировать из помпы в печь и обратно.

Переход от измерения одного элемента к другому производится по команде с компьютера. В барабане может находиться одновременно шесть источников спектрального излучения. Монохроматор перестраивается на соответствующую данному элементу длину волны, определенную на основе предварительно зарегистрированного спектра. Параметры атомизации автоматически устанавливаются с помощью компьютера в соответствии с данными, находящимися в пакете для данного элемента. Температура атомизатора во время атомизации поддерживается постоянной в соответствии с температурой, заданной в программе. Для управления температурой используется сигнал с фотодиода, который регистрирует излучение внешней стенки графитовой печи.