УДК 543.31

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ АНАЛИЗА СОСТАВА ВОДЫ

Рамазанов Александр Нажмудинович1, Кострин Дмитрий Константинович2
1Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, студент факультета электроники
2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, научный руководитель, кандидат технических наук, доцент кафедры электронных приборов и устройств

Аннотация
В работе рассмотрены возможности анализа состава воды с помощью эмиссионной системы и оптического спектрометра. Показаны основные сложности, возникающие при разработке подобной системы.

Ключевые слова: анализ состава воды, оптический спектрометр, разряд


DEVELOPMENT OF A SPECTROMETRIC SYSTEM FOR ANALYZING WATER COMPOSITION

Ramazanov Alexander Najmudinovich1, Kostrin Dmitry Konstantinovich2
1Saint-Petersburg state electrotechnical university, student of faculty of electronics
2Saint-Petersburg state electrotechnical university, scientific supervisor, candidate of technical sciences, associate professor of department of electronic devices and instruments

Abstract
In this article possibilities of the analysis of water composition using emission system and optical spectrometer are considered. The main difficulties encountered when designing such a system are shown.

Keywords: discharge, optical spectrometer, water composition analysis


Библиографическая ссылка на статью:
Рамазанов А.Н., Кострин Д.К. Разработка и исследование спектрометрической системы для анализа состава воды // Современная техника и технологии. 2015. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/06/6901 (дата обращения: 27.05.2017).

В настоящее время разрядные системы с исследуемой жидкостью в качестве одного из электродов интенсивно изучаются для применения в эмиссионной спектрометрии [1-4], так как они обладают потенциальными преимуществами перед плазменными методами, к тому же данные устройства не ограничены использованием только в аналитической спектроскопии. Такие разрядные системы также используются для очистки воды, синтеза и для модификации поверхностей. Одним из преимуществ использования электрического разряда в жидкости для эмиссионного анализа является возможность обеспечения контроля состава водных растворов в различных технологических процессах.

Существует несколько подходов к созданию систем обеспечивающих возникновение разряда в жидкости для возбуждения эмиссионных спектров содержащихся в ней ионов металлов. Наилучшие условия для возникновения разряда имеют место в неоднородном поле c большим электрическим градиентом. Наиболее перспективными являются относительно простые, но при этом достаточно эффективные система разряда в канале в жидкости [5] и система электрод-поверхность жидкости.

Возникновение разряда в них осуществляется подачей на электроды с помощью высоковольтного источника питания импульсного напряжения прямоугольной или синусоидальной формы через балластное сопротивление, стабилизирующее ток разряда. Возникающее в результате разряда свечение плазмы регистрируется оптическим спектрометром [6-7].

Применение системы c электрическим разрядом в канале для контроля загрязненных жидкостей, например сточных вод, практически невозможно, ввиду быстрого загрязнения капилляра в котором собственно и возникает электрический разряд. В качестве альтернативной системы была предложена установка, в которой разряд возникает между острийным электродом (анод) и поверхностью жидкости (катод). Такая установка практически не подвержена загрязнению, а простота конструкции позволяет использовать ее для потокового контроля состава жидкости.

Было рассмотрено применение разных источников с частотой генерации прямоугольных и синусоидальных импульсов от сотен Гц до десятков кГц. Оптимальные характеристики разряда получались при амплитуде напряжения около 15 кВ и частоте сигнала 20…40 кГц. На рисунке 1 представлена осциллограмма напряжения (CH1) и тока (CH2) в разрядной системе.

Рисунок 1 – Осциллограмма напряжения и тока в разрядной системе

На кафедре электронных приборов и устройств СПбГЭТУ «ЛЭТИ» был разработан оптический спектрометр ISM3600 [8-9] и программа Aspect [9-10] для анализа получаемых спектральных данных, с помощью которой во многом упрощается идентификация спектральных линий, т.к. линии любых атомов и ионов могут быть отображены поверх полученного спектра. Для успешной идентификации спектральных линий элементов [11-12] нужно высокое разрешение спектрометрического оборудования. Оно может быть достигнуто применением в оптической схеме дифракционной решетки с плотностью штриховки 600 штр./мм и более. Однако использование такой решетки приведет к увеличению размеров устройства или при неизменных размерах к уменьшению рассматриваемого диапазона длин волн. Таким образом, возможно либо рассмотрение всего диапазона 200…1000 нм с разрешением порядка 1.5 нм, что может оказаться недостаточным для распознавания всех линий излучения элементов при наличии в жидкости большого числа различных заранее неизвестных химических соединений, либо анализ небольшой части спектрального интервала, но с большим оптическим разрешением.

Проведенные исследования показали высокий предел обнаружения данной системы по щелочноземельным металлам. Недостатком устройства является наличие в спектре излучения линий OH групп и атомарного водорода, а также высокой фоновой составляющей (рисунок 2).

Рисунок 2 – Спектр излучения разряда в водопроводной воде с добавлением солей натрия и калия

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о возможности качественного и количественного анализа жидкостей с помощью анализа спектров излучения разряда в жидкости или над ее поверхностью. Однако существует целый ряд сложностей возникающих при создании такой системы, а именно: низкая чувствительность метода, требующая увеличение времени накопления заряда в фотоприемнике; быстрая загрязняемость разрядной ячейки; распыление электродов и др.


Библиографический список
  1. Webb M.R., Hieftje G.M. Spectrochemical analysis by using discharge devices with solution electrodes // Analytical chemistry. 2009. V. 81. № 3. P. 862-867.
  2. Соколов М.А., Брытов И.А. Использование электрического разряда в жидкости для эмиссионного анализа // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2-3. С. 100-104.
  3. Кострин Д.К. Исследование возможности экспресс-контроля состава воды оптическим спектрометром при использовании разряда в жидкости // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 7. С. 15-19.
  4. Mezei P., Cserfalvi T. Electrolyte cathode atmospheric glow discharges for direct solution analysis // Applied spectroscopy reviews. 2007. V. 42. P. 573-604.
  5. Зуев Б.К., Ягов В.В., Гецина М.Л., Руденко Б.А. Разряд при вскипании в канале – новый источник атомизации и возбуждения для атомно-эмиссионного определения металлов в потоке // Журнал аналитической химии. 2002. Т. 57. № 10. С. 1072-1077.
  6. Uhov A.A., Gerasimov V.A., Kostrin D.K., Selivanov L.M. Use of compact spectrometer for plasma emission qualitative analysis // Journal of Physics: Conference Series. 2014. V. 567. P. 012039.
  7. Ухов А.А., Кострин Д.К., Герасимов В.А., Селиванов Л.М. Особенности анализа состава плазмы с помощью малогабаритного оптического спектрометра // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. № 3. С. 7-10.
  8. Ухов А.А., Кострин Д.К. Оптимизация системы регистрации многоканального оптического спектрометра // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 4. С. 8-12.
  9. Кострин Д.К., Ухов А.А. Аппаратно-программный спектрометрический комплекс для исследования параметров светоизлучающих диодов // Биотехносфера. 2013. № 3. С. 21-25.
  10. Кострин Д.К., Ухов А.А. Обнаружение и компенсация ложных спектральных линий в спектрометре с вогнутой дифракционной решеткой // Контроль. Диагностика. 2013. № 6. С. 26-28.
  11. Кострин Д.К. Автоматический поиск положения спектральных линий при анализе спектров излучения плазмы // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 6. С. 11-15.
  12. Кострин Д.К. Анализ спектральных линий с различной интенсивностью при диагностике технологических процессов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. № 1. С. 3-7.


Все статьи автора «Кострин Дмитрий Константинович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: