Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Могилевский государственный университет

 имени А.А. Кулешова »
Реферат на тему:

«Современные портативные приборы для электрохимического анализа окружающей среды»
Выполнила студентка

Ф-та естествознания

3 курса, группы «Х»

Савицкая Анжела Станиславовна
Могилев 2010

Содержание

1.     Введение

2.     Электрохимические методы анализа

2.1.                Вольтамперометрия

2.2.                Потенциометрия

2.3.                Амперометрия

2.4.                Хронопотенциометрия

2.5.                Кондуктометрия

3.     Новые электрохимические сенсоры

4.     Портативные приборы основанные на электрохимическом методе анализа

5.     Заключение

6.     Список литературы
1.   
Введение
Значимость аналитической химии для цивилизованного индустриального общества не вызывает сомнений. От уровня развития химического анализа, оснащенности лабораторий приборами и методами анализа в значительной степени зависит прогресс многих наук и технологий, безопасность и здоровье людей. Химический анализ служит средством контроля производства и качества продукции во многих отраслях народного хозяйства - начиная от металлургии и заканчивая производством парфюмерно-косметической продукции. Разведка полезных ископаемых и мониторинг окружающей среды также базируются на результатах химического анализа.


Основная часть химических анализов выполняется в стационарных лабораториях. Приборный парк стационарных лабораторий можно считать обеспеченным разнообразным оборудованием, реализующим большое количество методов. Но многие аналитические задачи целесообразно решать на месте отбора пробы. В частности, выполнение внелабораторного анализа актуально:

• для организации мониторинга окружающей среды;

• при решении геогидрохимических задач, например, связанных с исследованием распределения следовых концентраций металлов в различных водоемах при проведении разведки полезных ископаемых;

 • для аналитического контроля состава электролитов в непрерывных процессах гидрометаллургических, гальванических и других производств.


Словом, речь идет о задачах, связанных с оперативным контролем, как объектов окружающей среды, так и технологических процессов, когда требуется отслеживать изменение концентраций в режиме реального времени, а также об организации мониторинга удаленных объектов и территорий.


Наиболее эффективно такой контроль во внелабораторных условиях может быть осуществлен при помощи:

• портативных приборов, реализованных в автомобильном или переносном вариантах;

• систем автоматического анализа, установленных на месте отбора пробы и функционирующих без участия оператора в течение определенного периода времени[5].

С другой стороны, аналогичное оборудование и способы анализа могут использоваться и в лабораторных условиях.


2.   
Электрохимические методы анализа


Электрохимические методы анализа (электроанализ), в основе которых лежат электрохимические процессы, занимают достойное место среди методов контроля состояния окружающей среды, так как способны обеспечить определение огромного числа как неорганических, так и органических экологически опасных веществ. Для них характерны высокая чувствительность и селективность, быстрота отклика на изменение состава анализируемого объекта, легкость автоматизации и возможность дистанционного управления. И, наконец, они не требуют дорогостоящего аналитического оборудования и могут применяться в лабораторных, производственных и полевых условиях.[6]

Электрохимические методы анализа (ЭМА) основаны на исследовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в при электродном пространстве. Аналитическим сигналом служит электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией определяемого компонента раствора и поддающийся правильному измерению.

Существенное внимание уделяется электрохимическим ячейкам и датчикам аналитического сигнала (электродным системам, различным электрохимическим сенсорам), именно эти первичные электрохимические преобразователи определяют аналитические возможности любого метода. В настоящее время не представляет проблемы самая совершенная и быстрая обработка сигнала от датчика, расчет статистических характеристик, как исходного сигнала, так и результатов всего анализа в целом. Именно поэтому важно получить достоверный исходный сигнал, чтобы прокалибровать его в единицах концентрации.

Выделяют следующие электрохимические методы анализа:

·        вольтамперометрические - I ≠ 0; E = f(t);

·        потенциометрические - (I = 0);

·        амперометрические - (I ≠ 0; E = const);

·        хронопотенциометрические, E = f(t); I = const;

·        импедансные, или кондуктометрические - измерения, использующие наложение переменного напряжения малой амплитуды.[2]
2.1. Вольтамперометрия.


Вольтамперометрия один из методов анализа, который динамично развивается в настоящее время. При сравнительной простоте оборудования он сочетает в себе высокую абсолютную чувствительность (до десятых или сотых микрограмма элемента в литре раствора), многоэлементное определение в одной пробе, экспрессность и легкость автоматизации операций.

Вольтамперометрия - количественный аналитический метод, посредством которого измеряется ток, протекающий через электрод, в то время как на этот электрод накладывается переменный сканирующий потенциал.[4].
2.2. Потенциометрия



Потенциометрия - применяется для определения различных физико-химических параметров исходя из данных о потенциале гальванического элемента. Электродный потенциал в отсутствие тока в электрохимической цепи, измеренный относительно электрода сравнения, связан с концентрацией раствора уравнением Нернста. В потенциометрических измерениях широко применяются ионоселективные электроды, чувствительные преимущественно к какому-то одному иону в растворе: стеклянный электрод для измерения рН и электроды для селективного определения ионов натрия, аммония, фтора, кальция, магния и др. В поверхностный слой ионоселективного электрода могут быть включены ферменты, и в результате получается система, чувствительная к соответствующему субстрату. Потенциал ионоселективного электрода определяется не переносом электронов, как в случае веществ с электронной проводимостью, а в основном переносом или обменом ионов. Однако уравнение Нернста, связывающее электродный потенциал с логарифмом концентрации (или активности) вещества в растворе, применимо и к такому электроду.

При потенциометрическом измерении составляют гальвонический элемент из индикаторного электрода, потанциал которого зависит от активности одного из компонентов раствора, и электрода сравнения и измеряют электродвижущую силу этого элемента.

При решении задач охраны окружающей среды найболее важен метод прямой потенциометрии с использование мембранных ионселективных электродов (ИСЭ) – ионометрия.
2.3.Амперометрия



Метод основан на измерении предельного диффузионного тока, проходящего через раствор при фиксированном напряжении между индикаторным электродом и электродом сравнения. При амперометрическом титровании точку эквивалентности определяют по излому кривой ток – объем добавляемого рабочего раствора. Хроноамперометрические методы основаны на измерении зависимости тока от времени и применяются в основном для определения коэффициентов диффузии и констант скорости. По принципу амперометрии (как и вольтамперометрии) работают миниатюрные электрохимические ячейки, служащие датчиками на выходе колонок жидкостных хроматографов. Гальваностатические методы аналогичны амперометрическим, но в них измеряется потенциал при прохождении через ячейку тока определенной величины. Так, в хронопотенциометрии контролируется изменение потенциала во времени. Эти методы применяются главным образом для изучения кинетики электродных реакций.
2.4. Хронопотенциометрия
Электрохимический метод исследования и анализа, основанный на изучении изменения электродного потенциала его времени при контролируемом значении тока электролиза. Различают прямую и инверсионную хронопотенциометрию. Чаще применяют первый вариант. В этом случае электролиз осуществляют в не перемешиваемом растворе определяемого электрохимически активного (электроактивного) вещества при большом избытке фонового электролита; при этом значение тока, как правило, превышает предельный диффузионный ток. Используют двух- и трехэлектродные ячейки. Регистрируют хронопотенциометрическую кривую - зависимость электродного потенциала рабочего электрода (на котором происходит электролиз) от времени.

У поверхности рабочего электрода постепенно уменьшается концентрация исследуемого вещества и соответственно изменяется электродный потенциал в сторону более отрицательного значений.
2.5. Кондуктометрия


Основана на измерении электропроводности раствора и применяется для определения концентрации солей, кислот, оснований и т.д. При кондуктометрических определениях обычно используют электроды из одинаковых материалов, а условия их проведения подбирают таким образом, чтобы свести к минимуму вклад скачков потенциала на обеих границах раздела электрод/электролит (например, используют переменный ток высокой частоты). Электропроводность однокомпонентного раствора можно связать с его концентрацией, а измерение электропроводности электролитов сложного состава позволяет оценить общее содержание ионов в растворе и применяется, например, при контроле качества дистиллированной или деонизованной воды.[11]
3.   
Новые электрохимические сенсоры

Идея электрохимического концентрирования вещества на поверхности электрода, выдвинутая более 50-ти лет назад, получила свое развитие в создании различных вариантов инверсионных электрохимических методов анализа, отличающихся такими важными качествами, как:

·        возможность определения более 40 химических элементов периодической системы и многих органических веществ;

·         низкие пределы обнаружения, достигающие для некоторых металлов и органических веществ уровня следовых количеств;

·         высокая селективность и хорошие метрологические характеристики методик;

·         относительная простота технической реализации методов и сравнительная дешевизна приборов.

Эти достоинства инверсионных электрохимических методов объясняют повышенный интерес к данному направлению исследований. 

Инверсионные электроаналитические методы благодаря хорошим аналитическим и метрологическим характеристикам: низкий предел обнаружения, высокая чувствительность, селективность и быстродействие, позволяют успешно решать многие задачи аналитического контроля. Многообразие электродных реакций, электродных материалов (включая твердые вещества), конструкций электродов и режимов их поляризации определяет широкую область применения этих методов.

До недавнего времени развитие метода инверсионной вольтамперометрии сдерживалось необходимостью использования ртутных и углеродсодержащих электродов. Первые обладают высокой токсичностью, недостатком вторых является короткий срок службы и как следствие необходимость регенерации поверхности электродов. Эти проблемы нам удалось решить и создать целую гамму оригинальных сенсоров, включающую варианты долгоживущих сенсоров с обновляемой поверхностью электрода и разовых сенсоров на основе толстопленочных графитовых электродов.

Особого внимания заслуживают сенсоры на основе графитовых электродов, модифицированных микроколичествами соединений ртути, что исключает использование металлической ртути, а значит и введение ионов ртути в анализируемый раствор. По своим аналитическим характеристикам такие сенсоры практически не отличаются от общеизвестных, покрытых предварительно ртутью или работающих в режиме in situ. Сенсоры на основе толстопленочных графитовых разовых электродов можно применять как в лабораторных, так и в полевых условиях в комплекте с портативным оборудованием. Эти сенсоры позволяют проводить анализ высокоминерализованных вод без отделения матрицы с пределом обнаружения по тяжелым металлам 0,5 мкг/л, а в отдельных случаях до 0,1 мкг/л. Для анализа требуется малый объем пробы, регистрации сигнала не мешает кислород, растворенный в пробе. Существенными достоинствами сенсоров являются электрохимическая регенерация поверхности электрода, а также низкая стоимость.

Разработанные сенсоры и оборудование универсальны, их можно использовать для экологического контроля, в биологии, медицине, для анализа и контроля пищевых продуктов, в гидрохимии и для контроля технологических процессов.[1]
4.   
Портативные приборы основанные на

электрохимическом методе анализа
Анализатор вольтамперометрический "Экотест-ВА" - это современный, портативный многофункциональный центр для проведения количественного и качественного анализа, а также - различных электрохимических  исследований.

Электрод «3 в 1»

Поставщик: «Эконикс» Москва                         

Он предназначен для измерения микроколичеств тяжелых металлов, токсичных органических и неорганических веществ на уровне значений ПДК и ниже в питьевых, природных, сточных, морских водах, пищевых продуктах и продовольственном сырье, кормах, напитках, почвах, в воздухе рабочей зоны, лекарственных препаратах и в других объектах анализа методами полярографии и вольтамперометрии.

Является экономичной альтернативой таким  методам анализа как AAS и ICP.

Определяемые компоненты: тяжелые металлы: (Cu²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Bi³⁺, Mn²⁺, Hg²⁺, Cr³⁺, Cr⁶⁺, Mo⁶⁺), а также йод, селен, мышьяк, метанол, диэтиленгликоль, ацетальдегид, формальдегид и другие электроактивные органические и неорганические вещества[8].

Описание электрода «3 в 1»: Это целая вольтамперометрическая электродная система в едином корпусе. Все электроды (рабочий, вспомогательный и электрода сравнения)расположены в одной плоскости на торце датчика. Преимущества электрода «3 в 1»:

·       полностью заменяет 3-х-электродную ячейку

·        создает  стабильные условия для измерений

·       диапазон измерения Cd²⁺ и Pb²⁺ от 0,1 мкг/дм³

·        погрешность измерения не превышает 10%

·       подходит для анализа морской воды.

 Метод «Виртуального ртутного электрода»: Конструктивные особенности позволяют переносить электрод из раствора в раствор с удержанием на его торце капли раствора, то есть без размыкания электрохимической цепи, удерживая под напряжением все накопленные металлы, включая ртутную пленку. Этот простой прием приводит к получению значительных научных и технических результатов. Использование заранее накопленной ртутной пленки позволяет создать «виртуальный ртутный электрод» и перенести на твердотельные рабочие электроды значительное количество полярографических методик.

Принцип работы прибора: Для измерения используется 3-х электродная система, состоящая из рабочего электрода, электрода сравнения (Ag/ AgCl / KCl 3M) и вспомогательного электрода.

На поверхности рабочего электрода происходит процесс окисления или восстановления. Набор данных интерпретируется вольтамперными кривыми, называемые вольтаммограммами, эти кривые дают как количественную, так и качественную информацию об измеряемом растворе. Эта методика используется, главным образом,  для определения растворенных веществ, которые могут быть относительно легко окислены или восстановлены[4].
Портативный кондуктометр SG7 с  датчиком УЭП InLab737 IP67

Поставщик: «METTLER TOLEDO» Швейцария



Кондуктометр Seven GoPRO SG7 — профессиональный кондуктометр для анализов  технологических сред, растворов, очищенных вод в лаборатории

и на производстве. Кондуктометр позволяет проводить измерения по стандартам GLP и USP.[8]

Принцип работы: прибор основан на измерении  удельного сопротивления или удельной проводимости, которые используются для контроля качества воды, конденсата или пара.  Главным назначением кондуктометров является анализ свойств и качества воды, ее пригодность для хозяйственного употребления. С помощью электропроводности возможно косвенно оценить электрохимический состав воды и сопоставить его с параметрами среды, благоприятной для развития живых организмов.[10]
рН-метр HI-991002 — портативный микропроцессорный рН –метр с датчиком «4 в 1». Поставщик «HANNA» Германия.



Это комбинированный рН-электрод со встроенным термодатчиком.

Прибор основан на измерении электродвижущей силы элемента, состоящего из электрода сравнения с известной величиной потенциала и индикаторного электрода, потенциал которого обусловлен концентрацией ионов водорода в испытуемом растворе. Вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод.

Принцип работы: прибор включают в сеть и прогревают не менее 30 мин. Перед проведением испытаний осуществляют проверку прибора по стандартным буферным растворам с рН 3,57; 4,00; 5,00; 6,88; 9,22 при температуре 20°С по прилагаемым к приборам инструкциям. После проверки электроды тщательно промывают дистиллированной водой.

Затем концы электродов погружают в предварительно подготовленный испытуемый раствор, и после того, как показания прибора примут установившееся значение, отсчитывают величину рН по шкале прибора.

Потенциал с комбинированного рН электрода подается на измерительный преобразователь, где усиливается, фильтруется, преобразуется в цифровой код, обрабатывается и в виде значения рН выводится на цифровой дисплей. Для измерения температуры и автоматической температурной компенсации изменений показаний прибора от температуры анализируемой среды служит датчик температуры, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры измеряемой среды. Преобразователь измеряет сопротивление, рассчитывает температуру среды, выводит на цифровой дисплей и учитывает при измерении рН.[12]
Заключение
Количественная оценка промышленно-транспортных воздействий на окружающую среду нужна для:

·        определения значимости отдельных факторов и выявления соответствующих закономерностей;

·        разработки эффективных устройств управления природоохранной деятельностью и оптимальным внедрением природных ресурсов в индустрии и на транспорте.

Она осуществляется в итоге мониторинга промышленно-транспортных объектов и окружающей среды, т.е. слежения за промышленно-транспортными объектами как источниками загрязнений и конфигурацией состояния окружающей природной среды, а также предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных либо опасных для здоровья людей и остальных живых организмов.

Особенности мониторинга объектов индустрии и транспорта, диктующие требования к измерительным устройствам, оборудованию, программным средствам и расчетным методикам, соединены с:

·        множественностью подвижных источников загрязнения переменной интенсивности выбросов во времени и в пространстве;

·        распределенностью источников загрязнений на значимой площади местности;

·        наличием огромного числа характеристик, которые нужно измерять регулярно либо непрерывно с высокой степенью достоверности.[1]

В связи с этим появляются особенные требования к конструкции устройств, использованию особых способов измерений и оценки экологически важных характеристик транспортных средств, материалов, технико-эксплуатационного состояния инженерных сооружений, характеристик состояния окружающей среды. Речь идет о разработке комплексной системы мониторинга на базе аэрокосмического зондирования и наземного оперативного сопровождения с внедрением стационарных и передвижных постов наблюдений.

Обязательным условием удачной работы таковой системы является обширное внедрение особых программных средств и математических способов обработки, анализа массивов текущей информации о промышленно-транспортных объектах и изменении состояния окружающей среды, восстановления информации о характеристиках транспортных потоков, уровнях загрязнения воздуха, воды, земли, растительности на значимой площади местности (до 1000 км²), используя в качестве исходных данных результаты измерений этих характеристик в отдельных (репрезентативных) точках пространства. Эти способы и средства необходимы для визуализации и представления результатов мониторинга в форме, удобной для принятия эффективных управляющих решений.[1]
Список литературы
1.     Портативные электрохимические анализаторы/ С.В. Соколков, П.Н. Загороднюк, Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им Д.И. Менделеева), 2001, т. XLV, № 5-6
2.     http://www.techob.ru//?act=devices&id1=10
3.     http://www.eurolab.ru/phmetr_
4.     http://www.applikon.su/Products/ADI2045.html
5.     http://www.dissercat.com/content/sistemy-dlya-vnelaboratornogo-inversionno-voltamperometricheskogo-analiza
6.     http://revolution.allbest.ru/chemistry/00135233_0.html
7.     http://ionomer.ru/component/option,com_mtree/task,listcats/cat_id,58/Itemid,13/lang,russian/ 
8.     http://www.mtrus.com/lab/ph/conductometr/sg7/
9.     http://www.nevalab.ru/cat2.php?pat=00000002/00003583/00024655&p
10. http://www.ecounit.ru/artikle_68.html
11. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/ELEKTROHIMIYA.html?page=0,5
12. http://medtex.com.ua/ph-metr.shtml