Методи за контрол на промишлени отпадни води – част II

Газова хроматография

Хроматографският метод е един от най-ефективните физико-химични методи на разделяне и анализ на сложни смеси. Газовата хроматография се използва за изследване на летливи съединения. Методът се основава на разпределение на изследваното вещество между две фази - неподвижен слой с голяма повърхност и газ, които се филтрува през слоя.

Широко се прилага т.нар. газоадсорбционната хроматография, при която неподвижната фаза е твърда. Най-старият и съответно най-използван газхроматографски метод е хроматографската колона, в която протича физична адсорбция. За пълнеж на колоната се използват силикагел, молекулни сита, активен въглен, алуминиев окис и полимери. 

Друго направление в развитието на хроматографските методи е т.нар. газо-течна хроматография, при която неподвижната фаза е във вид на течност. В този случай течната фаза се отлага във вид на тънък слой върху повърхността на инертния твърд носител. Изследваното вещество се разпределя между филма течност и газовата фаза. Сред причините за все по-масовото използване на газовата хроматография е възможността за използването на метода за разделяне на газове, течности и твърди съединения.

Принцип на работа

С най-широко приложение в газовата хроматография е проявителният (елуентен) метод, който позволява пълно разделяне на анализираната многокомпонентна смес. Компонентите на изследваното вещество при елуентния метод се внасят в хроматографската колонка, по дължината на която се преместват от газ-носител. Изследваната смес се разпределя между газа-носител и неподвижната течна фаза, която е нанесена върху твърд носител с определена големина на зърната. 

Неподвижната фаза селективно задържа компонентите на изследваната смес в зависимост от характеристиките им, в резултат на което се образуват ивици (зони) в газ-носителя. Всяка от получените зони съответства на определен компонент от сместа. Ивиците се пренасят през колоната под действието на газ-носителя и се регистрират от детектор.

Нека трите компонента на анализираната смес имат различен строеж. Следователно изследваните вещества се характеризират с различни коефициенти на разпределение между двете фази - газова и адсорбент или течна фаза. Нееднаквата сорбируемост на газовете от анализираната смес определя различното им разпределение между двете фази на хроматографската колонка, както и различната скорост на движение на компонентите през нея. 

Следователно при достатъчна дължина на колонката компонентите се разпределят във вътрешното й пространство на отделни движещи се ивици, които една след друга излизат от колонката, смесени с газа-носител.

След разделяне на изследваното вещество на съставните му компоненти във времевите интервали между тях oт колонката излиза само газ-носител. Скоростта на разделяне на сместа е правопропорционална на разликата в коефициентите на разпределение между двете фази на всеки от отделните компоненти. Постигането на по-висока скорост на процеса на разделяне в колонката позволява използването на по-къса колонка.

Специфики на метода

Основните предимства на газхроматографските методи могат да се систематизират:

• колонката непрекъснато се регенерира от инертния газ-носител;
• компонентите на сместа в повечето случаи напълно се разделят, смесвайки се само с инертния газ-носител, което улеснява разделянето и количественото им определяне.
• времето за анализ е кратко.

Сред недостатъците на метода са нередките случаи на затруднено излизане на някой от компонентите на изследваното вещество от колоната. Този проблем може да бъде разрешен чрез регулиране на температурата на колоната, което дава възможност да се намали времето за елуиране на компонента. Обикновено температурата на колоната се повишава с цел ускоряване на процесите на разделяне на веществата на съставните им компоненти. 

Върху процеса на разделяне, който се наблюдава в хроматографската колонка, оказват влияние факторите:

• вид на равновесието, което се установява между подвижната и неподвижната фаза;
• стойности на работната температура и налягане;
• дифузия на разделяните вещества в газовата фаза;
• вид на пълнежа в колонката (големина на частиците на пълнежа, взаимното им разположение и вид на неподвижната течна - стационарна  фаза);
• вид и скорост на газа-носител.

Методът на газовата хроматография позволява изследване не само на газови и течни, но и на твърди вещества. Необходимо условие за анализ на твърди вещества е предварителното им привеждане в парообразно състояние и съобразяване на температурата на колонката с температурата, при която изследваните вещества започват да се изпаряват.

Основни параметри

Газхроматографските методи се характеризират с комплекс от параметри, сред основните от които са:

Време за задържане и обем на задържане. В резултат на анализа на определено многокомпонентно вещество чрез метода на газовата хроматография се получават хроматограми. Те отразяват зависимостта на генерирания от детектора сигнал от времето. Газът се придвижва в хроматографския уред с постоянна обемна скорост, което дава възможност при представяне на графичната зависимост на полезния сигнал от времето да се изчисли обемът на газа-носител. Проекцията на резултантния пик в характеристиката върху оста на времето определя стойността на т. нар. време на задържане за съответното вещество. Обемът на задържане се изчислява на база времето на задържане.

Специфичен обем на задържане. Представлява общ параметър на всеки газхроматографски процес. Стойността му може да се приравни към обема на газ-носителя, който е необходим за елуирането на едно вещество до получаване на максимум на пика от характеристиката полезен сигнал / време за колонка, съдържаща 1 грам определена стационарна фаза и работеща без градиент на налягане при температура 0 °С. За определяне на специфичния обем на характеристиката не се отчита влиянието на различните експериментални параметри (градиент на налягането и температурата на разпределителната колонка, теглото на използваната стационарна течна фаза и др.).

Относителният обем на задържане представлява стойността на коригираното време на задържане или обема на задържане на едно вещество спрямо друго стандартно вещество. Разделителните колонки работят с относителни величини, тъй като стойността на специфичния обем на задържане е трудно възпроизводима. Капацитетният фактор k е отношение на времето на задържане към мъртвото време на задържане. Фазовото отношение представлява отношение на газовия обем на разделителната колонка (коригирано в съответствие с налягането и температурата) към обема на течната фаза. Коефициентът на разпределение представлява отношението на концентрацията на пробата в течната и в газовата фаза.

Измерване на pH

Сред основните параметри, които се контролират в промишлените отпадни води, независимо от спецификите на съответните индустриални процеси, е параметъра pH. Величината pH представлява индекс на водородната химична активност в даден разтвор. Характеризира степента на киселинност на веществата. Определя се в безразмерни единици. Диапазонът на изменение на параметъра е от 0 до 14. Стойността на pH варира от 1, 2 за силни киселини, през 7 за неутрални разтвори до над 10 за много силни основи.

Основните методи, използвани за определяне на pH на даден разтвор, са индикаторно багрило и потенциометрична електродна система. Известно е, че определени органични багрилни разтвори променят цвета си в зависимост от степента на киселинност на изследваното вещество. Методът е приложим за определяне на приблизителната стойност на pH на определен разтвор. Сред предимствата на багрилните индикаторни разтвори или ленти е ниската им цена, както и лесното им използване и съхранение.

Когато е необходимо прецизно измерване на pH на изследвания разтвор, се използва потенциометричният метод за измерване. Методът се базира на функционалната зависимост на потенциала на един електрод от наличната концентрация на електроактивното вещество. Галваничните клетки за измерване на pH на разтвори са изградени от един стъклен, изпълняващ функцията на индикаторен, и един каломелов електрод, който се използва като стандартен. Определянето на pH се свежда до две последователни измервания - със стандартен и с изследвания разтвор. 

Първият етап на измервателния процес на практика представлява еталониране на pH-метъра. Стъкленият електрод представлява тънкостенно балонче с дебелина под 0,1 mm, което се изработва от специално стъкло, високочувствително към водородни йони. В тънкостенното балонче се вгражда сравнителен електрод, който е потопен в изпълващия балончето буферен разтвор.

Проблемите, съпътстващи потенциометричното измерване на pH на разтворите, са свързани с температурната чувствителност на параметъра. Следователно в процеса на настройка на приборите е необходимо да се променя константата им на преобразуване в зависимост от температурата на разтвора.

Източник: TLL Media; Снимки: Dreamstime

Ключови думи: Промишлени отпадъчни води   контрол   анализ на отпадъчни води   газова хроматография   обработка на отпадъчни води  

Област: ВиК