Аппаратурно-программное обеспечение вольтамперометрического определения ионов металлов в отработанных электролитах и промышленных водах гальванических прои

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет».

Кафедра информационных систем и технологий РЕФЕРАТ по курсу «Основы информационных технологий» на тему:

«Аппаратурно-программное обеспечение вольтамперометрического определения ионов металлов в отработанных электролитах и промышленных водах гальванических производств».

Выполнил: магистрант кафедры химии, технологии электрохимических производств и материалов электронной техники Костусик А. Д.

Проверил: профессор, д.т.н. Колесников В.Л.

Минск 2014.

Содержание Введение.

1. Основные сведения о процессе вольтамперометрического анализа.

1.1 Виды вольтамперометрического анализа.

1.2 Стадии инверсионного вольтамперометриеского анализа.

2. Аппаратурно-программное обеспечение.

2.1 Вольтамперометрический анализатор TA-Lab.

2.2 Анализатор ТА-Универсал.

2.3 Анализатор Applikon 2045VA.

Заключение

Список использованных источников Введение В гальваническом производстве и очистке промышленных вод требуется контроль за количеством находящихся в них ионов металлов.

Так в электролитах требуется контроль количества ионов осаждаемого металла (например ионы Ni2+ в электролите никелирования), а также контроль примесных ионов (в частности, наличие в растворе более электроположительных металлов, чем основной металл, приводит к их восстановлению на катоде).

Промышленные сточные воды содержат ионы различных металлов, при повышенной концентрации оказывающие негативное влияние на окружающую среду и на здоровье человека. В процессе очистки стоков требуется контроль количества примесей с целью определения соответствия предельно-допустимым концентрациям.

Установление значений физических величин, характеризующих состав веществ или материалов, является неизбежной операцией при решении многих практических задач: испытаниях веществ или материалов (контрольных, сертификационных, аттестационных, приёмосдаточных и т. д.), контроле качества продукции (производственном, приёмочном, выходном и т. д.), анализе объектов окружающей среды, биологических проб при диагностических исследованиях, при поисковых и геологоразведочных работах и др. Но какова бы ни была цель исследования, при принятии обоснованных решений необходимо получение достоверной информации о значениях физических величин, характеризующих состав веществ и материалов.

Процедурами экспериментального нахождения данной информации являются методики количественного химического анализа (МКХА). Употребляя термин «химический анализ», подчёркивают его основную цель — определение химического состава, включая определение концентрации компонентов, составляющих данную вещественную систему. В то же время методы, используемые для достижения этой цели, могут быть как химическими, так и физико-химическими или физическими.

Хотя общие требования к созданию систем качества и метрологическому обеспечению испытательных лабораторий (ИЛ) уже сформулированы в ряде международных и отечественных стандартов, вопросы стандартизации, метрологии и сертификации в проблеме качества развиваются последние годы очень динамично. Даже в течение одного года происходит много нового: появляются новые документы, актуализируются старые, создаются новые организации, новые методы и средства испытаний и т. п.

С начала 1990;х годов в области приборов аналитического контроля наметилась тенденция разработки на базе ведущих научных и приборостроительных организаций страны и созданных на их производственной базе «малых» предприятий современных универсальных аналитических приборов, в том числе анализаторов жидкости, с комплектом реализуемых на этих приборах методик анализа.

Разработка автоматизированных вольтамперометрических анализаторов по времени совпала с моментом активного обсуждения и научных дискуссийкаким быть метрологическому обеспечению количественного химического анализа.

Современный уровень развития технологии, биологии, медицины, охраны окружающей среды и других областей наук и техники выдвигает задачу определения малых количеств веществ во все более сложных объектах, поэтому требования, предъявляемые к методам анализа следовых количеств веществ, постоянно повышаются. Наряду с другими методами при анализе следовых количеств широко используются электрохимические инверсионные методы, поскольку при относительно простом аппаратурном оформлении они приводят к хорошо воспроизводимым и правильным результатам. Титриметрическое определение ионов меди и цинка может давать неверные результаты при наличии в растворе мешающих ионов железа. Вольтамперометрическое определение по своей природе не должно быть чувствительным к мешающему влиянию ионов металлов.

Вольтамперометрическое определение ионов в настоящее время активно использует информационные технологии. Развитие технологий с каждым днем набирает обороты и затрагивает все отрасли науки. Поэтому требуется постоянный анализ аппаратно-программного обеспечения, а также его развития.

Целью данной работы является поиск наиболее актуального аппаратно-программного обеспечения определения микроколичеств ионов металлов в отработанных электролитах и промышленных водах гальванических производств, а также способов реализации.

1. Основные сведения о процессе вольтамперометрического анализа Вольтамперометрия — совокупность электрохимических методов исследования и анализа, основанных на изучении зависимости силы тока в электролитической ячейке от потенциала погруженного в анализируемый раствор индикаторного микроэлектрода, на котором реагирует исследуемое электрохимически активное (электроактивное) вещество. В ячейку помещают помимо индикаторного вспомогательный электрод со значительно большей поверхностью, чтобы при прохождении тока его потенциал практически не менялся (неполяризующийся электрод). Разность потенциалов индикаторного и вспомогательного электродов Е описывается уравнением 1.1:

Е = U — IR, (1.1).

где U — поляризующее напряжение, R — сопротивление раствора.

В анализируемый раствор вводят в большой концентрации индифферентный электролит (фон), чтобы, во-первых, уменьшить величину R и, во-вторых, исключить миграционный ток, вызываемый действием электрического поля на электроактивные вещества (устаревшее — деполяризаторы). При низких концентрациях этих веществ омическое падение напряжения IR в растворе очень мало. Для полной компенсации омического падения напряжения применяют потенциостатирование и трехэлектродные ячейки, содержащие дополнительно электрод сравнения. В этих условиях потенциал равен напряжению.

В качестве индикаторных микроэлектродов используют стационарные и вращающиеся — из металла (ртуть, серебро, золото, платина), углеродных материалов (например, графит), а также капающие электроды (из ртути, амальгам галлия). Последние представляют собой капилляры, из которых по каплям вытекает жидкий металл.

Вольтамперометрию применяют: для количественного анализа неорганических и органических веществ в очень широком интервале содержаний — от 10−10% до десятков %; для исследования кинетики и механизма электродных процессов, включая стадию переноса электрона, предшествующие и последующие химические реакции, адсорбцию исходных продуктов и продуктов электрохимических реакций и т. п.; для изучения строения двойного электрического слоя, равновесия комплексообразования в растворе, образования и диссоциации интерметаллических соединений в ртути и на поверхности твердых электродов; для выбора условий ампераметрического титрования и др.

1.1 Виды вольтамперометрического анализа вольтамперометрический анализ инверсионный ион Полярография. Вольтамперометрию с использованием капающих электродов, потенциал которых меняется медленно и линейно, называют полярографией (метод предложен Я. Гейровским в 1922). Электродами сравнения служат обычно электроды второго рода, например каломельный или хлоросеребряный. Кривые зависимости I=f (E) или I =f (U) (вольтамперограммы) регистрируют специальными приборами — полярографами разных конструкций.

Вольтамперограммы, полученные с помощью вращающегося или капающего электрода при монотонном изменении (линейной развертке) напряжения, имеют вид, схематически представленный на рисунке. Участок увеличения тока называют волной. Волны могут быть анодными, если электроактивное вещество окисляется, или катодными, если оно восстанавливается. Когда в растворе присутствуют окисленная (Ох) и восстановленная (Red) формы вещества, достаточно быстро (обратимо) реагирующие на микроэлектроде, на вольтамперограмме наблюдается непрерывная катодно-анодная волна, пересекающая ось абсцисс при потенциале, соответствующем окислительно-восстановительному потенциалу системы Ox/Red в данной среде. Если электрохимическая реакция на микроэлектроде медленная (необратимая), на вольтамперограмме наблюдаются анодная волна окисления восстановленной формы вещества и катодная волна восстановления окисленной формы (при более отрицательном потенциале). Образование площадки предельного тока на вольтамперограмме связано либо с ограниченной скоростью массопереноса электроактивного вещества к поверхности электрода путем конвективной диффузии (предельный диффузионный ток, Id), либо с ограниченной скоростью образования электроактивного вещества из определяемого компонента в растворе. Такой ток называют предельным кинетическим, а его сила пропорциональна концентрации этого компонента.

Рисунок 1.1 — Вольтамперограмма, получаемая с помощью вращающегося дискового электрода.

Циклическая вольтамперометрия (вольтамперометрия с относительно быстрой треугольной разверткой потенциала) позволяет изучать кинетику и механизм электродных процессов путем наблюдения на экране осциллографич. трубки с послесвечением одновременно вольтамперограмм с анодной и катодной разверткой потенциала, отражающих, в частности, и электрохимическая реакции продуктов электролиза.

Нижняя граница определяемых концентраций Сн в методах вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала составляет 10−5-10−6 М. Для ее снижения до 10−7-10−8 М используют усовершенствованные инструментальные варианты — переменно-токовую и дифференциальную импульсную вольтамперометрию.

В первом из этих вариантов на постоянную составляющую напряжения поляризации налагают переменную составляющую небольшой амплитуды синусоидальной, прямоугольной (квадратноволновая вольтамперометрия), трапециевидной или треугольной формы с частотой обычно в интервале 20−225 Гц. Во втором варианте на постоянную составляющую напряжения поляризации налагают импульсы напряжения одинаковой величины (2−100 мВ) длительностью 4−80 мс с частотой, равной частоте капания ртутного капающего электрода, или с частотой 0,3−1,0 Гц при использовании стационарных электродов. В обоих вариантах регистрируют зависимость от U или Е переменной составляющей тока с фазовой или временной селекцией. Вольтамперограммы при этом имеют вид первой производной обычной вольтамперометрической волны. Высота пика на них пропорциональна концентрации электроактивного вещества, а потенциал пика служит для идентификации этого вещества по справочным данным.

Пики различных электроактивных веществ, как правило, лучше разрешаются, чем соответствующие вольтамперометрические волны, причем высота пика в случае необратимой электрохимических реакции в 5−20 раз меньше высоты пика в случае обратимой реакции, что также обусловливает повышенную разрешающую способность этих вариантов вольтамперометрии Например, необратимо восстанавливающийся кислород практически не мешает определению многих электроактивных веществ методом переменно-токовой вольтамперометрии Пики на переменно-токовых вольтамперограммах отражают не только электрохимических реакции электроактивных веществ, но и процессы адсорбции — десорбции неэлектроактивных веществ на поверхности электрода (пики нефарадеевского адмиттанса, устаревшее — тенсамметрические пики).

Для всех вариантов вольтамперометрии используют способ снижения Сн, основанный на предварительном электрохимическом, адсорбционном или химическом накоплении определяемого компонента раствора на поверхности или в объеме стационарного микроэлектрода, с последующей регистрацией вольтамперограммы, отражающей электрохимическую реакцию продукта накопления. Эту разновидность вольтамперометрия называют инверсионной (устаревшее название инверсионной вольтамперометрии с накоплением на стационарном ртутном микроэлектроде — амальгамная полярография с накоплением). В инверсионной вольтамперометрии с предварительным накоплением Сндостигает 10−9-10−11 М. Минимальные значения Сн получают, используя тонкопленочные ртутные индикаторные электроды, в том числе ртутно-графитовые, состоящие из мельчайших капелек ртути, электролитически выделенных на подложку из специально обработанного графита.

Между анодной и катодной инверсионной вольтамперометрией нет принципиального различия несмотря на обычное использование этих терминов. Направление поляризации электрода зависит от свойств накопленного вещества. Анодная поляризация применяется для амальгам, осадков металлов и некоторых адсорбированных органических соединений, которые могут окисляться в диапазоне рабочих потенциалов электрода. Катодная поляризация применяется в случае оксидов металлов, солей ртути (I) и ртути (II), адсорбированных ионов комплексов металлов, восстанавливающихся органических молекул. Ионы металла, сконцентрированные с помощью ионообменников на угольно-пастовом электроде, сначала восстанавливаются до атомов при катодной поляризации и затем окисляются на последующей стадии. Выбор вольтамперометрического метода и материала электрода зависит от свойств и концентрации определяемого вещества. Например, ионы висмута или меди могут быть определены с помощью анодной инверсионной вольтамперометрии на ртутном капельном электроде [7], причем окисления ртути, которое может мешать при низких концентрациях ионов металлов, можно избежать при адсорбционном накоплении органических комплексов этих ионов, вслед за которым регистрируется катодная инверсионная вольтамперограмма.

1.2 Стадии инверсионного вольтамперометрического анализа вольтамперометриеский анализ инверсионный ион Одним из наиболее чувствительных электрохимических методов анализа, позволяющим определять содержание веществ на уровне десятых и сотых мкг/л, является метод инверсионной вольтамперометрии (ИВ).

Измеряемым параметром в методе ИВ является ток. При этом ток измеряют в зависимости от напряжения, приложенного к электродам электрохимической ячейки, регистрируя вольтамперную кривую. Метод легко поддается автоматизации, требует применения легкодоступных реактивов в небольшом количестве (максимально до 30 мл на одну пробу) и, как правило, относительно прост в реализации. По чувствительности и перечню определяемых микроэлементов ИВ сравнима с атомно-абсорбционной спектроскопией. Последняя обладает более высокой точностью результатов анализа, но высокая стоимость атомно-абсорбционных спектрометров делает этот метод недоступным для большого числа аналитических лабораторий России.

К преимуществам ИВ следует отнести относительно низкую стоимость оборудования, а также возможность определения форм элементов. Например, при анализе воды на содержание мышьяка можно установить содержание As (III) и As (V), на содержание йода — иодид-ионов, иодат-ионов и йодорганических соединений. И хотя точность метода ИВ и уступает точности атомно-абсорбционной спектроскопии, показатели качества большинства вольтамперометрических методик не превышают установленных норм.

Говоря о методе ИВ, чаще выделяют две основные стадии: накопление элемента на поверхности электрода и регистрация тока растворения концентрата.

Поэтому, наверное, все вольтамперометрические анализаторы позволяют выполнять эти стадии с максимальным эффектом. Стоит лишь подчеркнуть, что их техническая реализация для каждого из видов анализаторов различно и, в первую очередь, зависит от типа используемого рабочего электрода и его конструкции. Поэтому уровень и качество вольтамперометрических приборов и методик на сегодняшний день определяются не условиями выполнения двух основных стадий, а уровнем реализации дополнительных стадий: подготовки к регистрации и расшифровки вольтамперограмм. Рассмотрим требования к каждой из стадий для обеспечения высокого качества анализа. Стадия подготовки должна позволять выполнение следующих задач: частичная регенерация поверхности рабочего электрода; перевод определяемого элемента в электрохимически активное состояние; устранение мешающего влияния компонентов раствора пробы. Последние две задачи могут быть решены при проведении предварительной подготовки пробы к анализу, но это приведет к его усложнению. Например, УФ-облучение или электрохимическая обработка пробы в ячейке анализатора заменяет процесс минерализации питьевых вод при определении цинка, кадмия, свинца и меди. Озонирование — сокращает подготовку проб воды при определении ртути до 3−5 минут, а пропускание озона через раствор пробы непосредственно в анализаторе позволяет упростить этот процесс. Конечно, при определении ряда элементов (особенно в почве и воздухе) предварительная подготовка проб является обязательным условием. Но ее время может быть сокращено за счет проведения последних этапов непосредственно в анализаторе в автоматическом режиме. Например, перевод определяемого элемента в электрохимически активное состояние при анализе почвенных вытяжек. Таким образом, возможности стадии подготовки к регистрации зависят от наличия дополнительных устройств в анализаторе (УФ-лампа, подача озона и инертного газа) и технической возможности проведения электрохимической обработки электродов и раствора пробы. Эффективность стадии зависит от используемой методики анализа, т. е. от оптимальности подобранных условий подготовки. При этом задача химика — аналитика сводится к внесению в ячейку анализатора точно отмеренного объема пробы и реактивов. При этом следует обратить внимание на срок годности и марку используемых реактивов.

Стадия расшифровки (разметки) вольтамперограмм, т. е. выделение пика тока на вольтамперограмме (аналитического сигнала) для измерения его значения, требует особого внимания. Допущенные на этой стадии ошибки могут привести к увеличению погрешности результатов анализа в десятки раз, особенно при регистрации маленьких пиков с нечетко выраженными границами.

Выделение пика тока на вольтамперограмме осуществляется по одному из трех способов:

— в ручном режиме — химик-аналитик, пользуясь возможностями программы, под управлением которой работает прибор, сам проводит выделение пика, а программа фиксирует его высоту;

— автоматический — программа сама проводит выделение и измерение высоты пика;

— полуавтоматический — программа предлагает вариант выделения пика, а химик-аналитик в случае неверной разметки вносит свои коррективы.

Первый вариант может приводить к дополнительным погрешностям результата анализа, так как требует специальных навыков и знаний химика-аналитика. Избежать этого можно только при сочетании следующих условий: в прописи методики или в Руководстве по применению программного обеспечения подробно описана процедура выделения пика; химик-аналитик полностью освоил процедуру выделения пика (самостоятельно или при прохождении учебы); процедура выделения пика достаточно проста и позволяет проводить эффективное выделение пиков различной формы и высоты. Если все эти условия выполнены, то разметка вольтамперограмм не будет приводить к увеличению погрешности результатов анализа.

Автоматический способ расшифровки вольтамперограмм является идеальным решением проблемы, но только в том случае, если он позволяет проводить верное выделение пиков различной высоты и формы, что на практике реализовать достаточно сложно. Недостатком данного способа является отсутствие возможности у химика-аналитика в случае неверной разметки внести свои поправки и предотвратить увеличение погрешности результатов. С этой точки зрения предпочтительным оказывается третий вариант выделения сигнала, совмещающий автоматический способ с возможностью химика-аналитика руководить процессом выделения сигнала. Однако, в этом случае ответственность за правильность измерения несет химик-аналитик, а значит, он должен четко знать, каким образом и по какому принципу должен быть выделен пик тока на вольтамперограмме.

Стадией анализа, завершающей измерения, является расчет результатов анализа. Для расчета концентрации определяемого элемента в методе ИВ может быть применено несколько методов: расчет концентрации по градуировочному графику, по стандарту и расчет концентрации методом стандартных добавок. Метод расчета устанавливают при разработке и аттестации методики анализа. Так как анализаторы работают под управлением компьютера, то и расчет результатов анализа проводится автоматически. Задача химика-аналитика на этой стадии — верно указать параметры анализируемой пробы.

Для обобщения вышесказанного в таблице 1.1 приведены факторы, оказывающие максимальное влияние на точность результатов анализа при проведении измерения методом ИВ.

Таблица 1.1 — Факторы, влияющие на точность результатов анализа.

Из таблицы видно, что уровень реализации практически всех стадий анализа зависит от методики анализа, т. е. от того насколько оптимально подобраны условия проведения измерений, насколько отработана методика на различных типах проб анализируемого объекта. Задача же химика-аналитика заключается в правильном воспроизведении этих условий. Для этого методика анализа и инструкции по применению анализатора должны быть достаточно подробно и понятно изложены.

2. Аппаратурно-програмное обеспечение Использование сопряженной с прибором электронно-вычислительной машины (ЭВМ) расширяет возможности вольтамперометрического анализа, как на этапах получения сигналов, так и обработке кривых. Програмное управление прибором существенно упрощает и ускоряет анализ за счет автоматизации и оптимизации стадий регистрации и обработки вольтамперометрического отклика.

В настоящий момент электрохимические установки, сопряженные с ЭВМ, используются в основном с традиционной точки зрения. Фирмы-производители компьютеризированных электрохимических комплексов ориентируют программное обеспечение на анализ, проводящийся по заданному алгоритму. Как правило, управляющая программа представляет пользователю ограниченный набор вариантов проведения вольтамперометрического эксперимента и функций обработки данных, связанных в жесткую схему, существенно ограничивающую круг решаемых задач. Поэтому, для расширения куга решаемых задач представляет интерес разработка программного обеспечения на основе концепции открытой архитектуры, позволяющей адаптировать управляющую программу под конкретную аналитическую задачу при разработке методического обеспечения. Таким требованиям отвечает интерпретирующий вариант языка программирования вольтамперометрического комплекса, который может позволить оптимизировать программу для решения данной задачи, а при проведении анализа использовать уже готовую программу в качестве оптимальной последовательности действий.

Достоверность результатов анализа, полученных методом ИВ, зависит от качества вольтамперометрического анализатора, его программного обеспечения, методики анализа, электродов, процедуры подготовки пробы к измерениям.

В таблице 2.1 коротко приведены критерии выбора вольтамперометрического оборудования.

Таблица 2.1 — Критерии выбора ВА оборудования.

В настоящее время существует множество анализаторов, с помощью которых можно осуществить инверсионный вольтамперометрический анализ. В данной работе мы рассмотрим наиболее новые и прогрессивные анализаторы.

2.1 Вольтамперометрический анализатор TA-Lab.

Это современный вольтамперометричесий анализатор, ориентированный на проведение измерений в рутинном анализе с применением интуитивно понятного программного обеспечения. Впервые в приборах такого класса реализовано беспроводное соединение прибора с компьютером, что позволяет сделать рабочее место химика более удобным. Конструкция прибора направлена на максимальное удобство и безопасность его применения.

Анализатор вольтамперометрический ТА-Lab (полярограф) предназначен для измерений массовой концентрации элементов, анионов и катионов в питьевых, природных, сточных водах, почвах, пищевых продуктах, продовольственном сырье, напитках, биологических объектах и других материалах методом инверсионной вольтамперометрии в соответствии со стандартизованными и аттестованными методиками выполнения измерений.

Определяемые примеси:

— ртуть (Hg),.

— мышьяк (As),.

— цинк (Zn),.

— кадмий (Cd),.

— свинец (Pb),.

— медь (Сu),.

— железо (Fe),.

— сурьма (Sb),.

— олово (Sn),.

— висмут (Bi),.

— марганец (Mn) и др.

На рисунке 2.1 предтавлен анализатор ТА-Lab.

Рисунок 2.1 — Анализатор ТА-Lab.

1 — корпус; 2 — подъемный кронштейн; 3 — гнезда для крепления электродов; 4 — гнезда для установки стаканчиков с анализируемым раствором; 5 — кнопка управления подъемом кронштейна.

Программное обеспечение VALabTx для анализатора ТА-Lab. Программа VALabTx (рис. 2.2) — мощное средство для проведения как рутинных анализов, так и научных исследований. Позволяет существенно ускорить процедуру анализа, исключить субъективизм при оценке результатов анализа и, как следствие, повысить производительность, надежность, точность и достоверность измерений.

Рисунок 2.2 — Программа VALabTx.

Программа реализована по традиционным принципам, характерным для прикладных программ MS Windows. Настраиваемый интерфейс программы позволяет проводить с максимальным удобством как рутинные анализы, так и исследовательские работы.

Выделение аналитических сигналов определяемых элементов осуществляется автоматически, при этом программа обеспечивает последовательное получение от одного до девяти сигналов в условиях повторяемости для каждого канала измерений; идентификацию сигналов; автоисключение невоспроизводимых сигналов; автомасштабирование сигнала; определение величины сигнала. Дает оператору возможность корректировки действия программы путем: изменения времени выполнения любого из этапов измерений; ручного исключения сигналов из дальнейших расчетов; выделения сигналов в ручном режиме; изменения масштаба отображения сигналов; повторной обработки сигналов и перерасчета результата анализа. Позволяет осуществлять одновременную работу 2-х приборов.

2.2 Анализатор ТА-Универсал ТАУниверсал предназначен для измерений водородного показателя (pH), массовой и молярной концентрации микроэлементов, анионов и катионов в питьевых, природных, сточных водах, водных растворах проб почв, пищевых продуктов, продовольственного сырья, биологических объектов и других материалов, которые могут быть переведены в раствор путем соответствующей пробоподготовки. Широкий диапазон функциональных возможностей анализатора способен полностью охватить потребности как научно-исследовательского центра, так и небольшой испытательной лаборатории.

Единственный анализатор, совмещающий возможности вольтамперометрического анализатора и pH-метра/иономера.

ТА-Универсал содержит:

— одну электрохимическую ячейку для измерений потенциометрическим методом;

— три электрохимических ячейки с подсветкой для измерений вольтамперометрическим методом, позволяющих получить три результата анализа одновременно;

— два источника УФ-излучения (УР=22 Вт), предназначенных для облучения растворов, анализируемых вольтамперометрическим методом;

— термодатчик для измерения температуры анализируемых растворов.

Анализатор позволяет реализовывать методы прямой, циклической и инверсионной вольтамперометрии с постояннотоковой, ступенчатой, дифференциальной импульсной и квадратно-волновой разверткой поляризующего напряжения.

Наиболее часто применяемым вольтамперометрическим методом анализа является метод инверсионной вольтамперометрии. Определение элементов методом инверсионной вольтамперометрии основывается на двух основных стадиях:

— предварительное электронакопление элементов из анализируемого раствора на поверхности рабочего электрода путем поляризации рабочего электрода;

— регистрация тока растворения концентрата элемента с поверхности рабочего электрода при линейном изменении поляризующего напряжения.

Устройство анализатора представлено на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Анализатор ТА-Универсал (вид спереди).

1 — корпус; 2 — подъемный кроштейн; 3 — гнезда для крепления электродов для проведения вольтамперометрических измерений; 4 — кнопка управления подъемом кронштейна; 5 -гнезда для установки стаканчиков с раствором для проведения вольтамперометрических измерений 6 — лабораторный штатив для установки электродов для проведения потенциометрических измерений, мешалки и термодатчика.

Аналитическим сигналом является максимальное значение тока растворения концентрата элемента. Концентрация элемента автоматически рассчитывается методом стандартных добавок аттестованной смеси определяемого элемента.

Анализатор содержит три канала, предназначенных для измерений вольтамперометрическим методом и соответствующих трем электрохимическим ячейкам, что позволяет получать три результата анализа одновременно.

Програмное обеспечение. Программа ТA-Lab предназначена для управления работой анализаторов ТА-Lab и ТА-Универсал. В программе реализованы функции, необходимые для быстрого и качественного проведения анализов различных проб и научных исследований методом вольтамперометрии.

Программа построена по принципу офисных программ MS Windows, что облегчает ее освоение и применение.

Программа позволяет одновременно с работой прибора осуществлять другие работы на компьютере (Internet, набор и редактирование других файлов).

Расчет результатов анализа осуществляется методом стандартных добавок и/или по стандарту.

Выделение аналитических сигналов определяемых элементов осуществляется автоматически, при этом программа обеспечивает:

— последовательное получение от 1 до 99 сигналов в условиях повторяемости;

— идентификацию сигналов;

— автоисключение невоспроизводимых сигналов;

— автомасштабирование сигналов;

— определение величины сигналов.

Оператор имеет возможность корректировать действия программы путем:

— изменения времени выполнения любого из этапов измерений;

— ручного исключения сигналов из дальнейших расчетов;

— выделения сигналов в ручном режиме;

— изменения масштаба отображения сигналов;

— перерасчета результата анализа путем повторной обработки сигналов.

Оператор может варьировать расположение на экране, количество и масштаб отображаемых аналитических сигналов.

Программа позволяет (рис. 2.4):

— создавать новые методики измерений;

— включать на этапах регистрации аналитического сигнала перемешивание, УФ-облучение и барботаж инертным газом или озоном исследуемого раствора;

— конвертировать зарегистрированные вольтамперограммы в цифровом виде в Exel,.

— результаты анализа могут быть распечатаны, занесены в протокол анализа, сохранены в Архив или конвертированы в файлы других программ MS Windows.

Рисунок 2.4 — Программа ТA-Lab.

2.3 Анализатор Applikon 2045VA.

Помимо анализаторов лабораторного типа существуют анализаторы промышленного типа, используемые непосредственно в процессе.

Анализатор Applikon 2045VA — поточный промышленный прибор, основанный на принципе вольтамперометрическога анализа.

В настоящее время предоставляется возможность использования этого метода непосредственно в производственном цикле для измерения в потоке. в химической промышленности, очистке сточных вод, водоподготовке, энергетике и т. д. Все анализаторы используются непосредственно в технологическом процессе и способны работать 24 часа в сутки для непрерывного мониторинга интересующего параметра.

В анализаторах Applikon используются хорошо отработанные аналитические методики такие как колориметрия, ионселективный анализ, титрование, ионная хроматография и, в настоящее время, вольтамперометрический анализ.

При помощи прибора промышленного анализатора ADI2045VA вольамперометрический метод может быть использован для поточного измерения следов металлов в поверхностных или сточных водах или для контроля состава гальванических ванн в электрохимической отрасли.

Система 2045VA изготавливается в том же самом корпусе, что и хорошо известный и проверенный временем анализатор 2040. Его «аналитическое сердце» — система 797 Computrace VA производства Metrohm, наиболее широкоизвестная лабораторная вольтамперометрическая система. В этом приборе используется либо так называемый многорежимный электрод (Multi Mode Electrode (MME)) или вращающийся дисковый электрод (Rotating Disk Electrode (RDE)).

Преимущество такой компоновки в том, что для поточного анализа может быть использованы те же методы, которые используются в лаборатории. Вокруг сосуда с анализируемым раствором в который погружены MME или RDE расположены бюретки, насосы и модули подготовки пробы. Схема расположения гидравлических компонентов и пример гидравлической части в сборе представлены на рис. 2.5 и 2.6.

Рисунок 2.5 — Схема расположения гидравлических компонентов В зависимости от решаемой задачи могут быть правильно подобраны части прибора, контактирующие с жидкостью, это пробоотборные краны, перистальтические насосы, дозаторы, краны и другие модули.

В зависимости от задачи может варьироваться количество бюреток, УФ-облучатель может присутствовать или не присутствовать.

Монтажный шаблон ADI2045 дает представление о том, сколько можно разместить смачивающихся компонентов, также как и модулей ввода/вывода результатов, сигнализаций, дистанционного управления и т. д.

Рисунок 2.6 — Гидравлическая часть в сборе Принцип действия. Система контролируется промышленным компьютером (IPC) в комплексе с программируемым логическим контроллером (PLC). PLC контролирует все внешние и смачивающиеся части прибора, тогда как бюретки Computrace и Dosino управляются непосредственно IPC.

Графический интерфейс пользователя состоит и сенсорного экрана, делающего управление легким и интуитивным. Дополнительная клавиатура манипулятор, при необходимости, могут быть подключены через порт USB. Панель управления представляет ряд функций управления, панель состояния отображает актуальный статус системы. Пользователь информирован о таких важных событиях, как например, превышение уставок измерения, посредством всплывающих окон.

Схема устройства представлена на рисунке 2.7.

Доступ к управляющим клавишам может быть защищен, в то время как, например, результаты анализа будут отображаться. Доступны 2 уровня доступа оператора, доступные разным пользователям, один для ежедневных операций, один для конфигурирования и программирования инструмента. Также возможно получить доступ к интерфейсу пользователя при помощи программного обеспечения Computrace, которое дает доступ к методике анализа и вольтаммограммам.

Пуски состоят из списка программируемых операций, которые контролируют необходимые смачиваемые части и вызывают аналитические методы Computrace. Дополнительно могут быть запрограммированы условные действия, что делает прибор ADI2045VA мощным интеллектуальным анализатором. Например, можно ускорить (или замедлить) частоту выполнения анализа, если результаты анализа выходят за рамки установок. Программирование осуществляется через редактор действий (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 — Схема устройства ADI2045VA.

Рисунок 2.8 — Редактор действий Процедура анализа осуществляется в виде цепи последовательных пусков. Сначала может быть осуществлен ряд промывочных процедур, затем ряд калибровочных пусков во время которых осуществляется калибровка или анализируется образец сравнения, и, наконец, ряд аналитических пусков разделенных, максимально, на 4 потока образца.

Результаты измерений могут быть представлены как в виде списка данных, так и в виде графиков, вид которых может быть настроен по желанию, т. е. масштабы, цвета, и указатели уставок и сигнализаций в виде обычного и столбцового графиков.

Такие события как включение сигнала при превышении уставок результа анализа, аппаратные предупреждения и ошибки, управляющие действия, изменения конфигурации сохраняются в журнале событий. Доступен обозреватель журнала событий для инспекции всех событий в ретроспективе.

Наконец, со всеми внешними и смачивающимися частями можно свободно работать во время их обслуживания. Вся важная системная информация, такая как результаты анализов, данные журнала событий, конфигурация системы, сообщения, список действий и другие данные могут быть экспортированы в формат XML на компактный носитель (например флэш-память), который вставляется в USB-порт прибора. USB-порт легко можно найти на передней панели корпуса прибора.

Заключение

Вольтамперометрическое определение ионов в настоящее время активно использует информационные технологии. Развитие технологий с каждым днем набирает обороты и затрагивает все отрасли науки. Поэтому требуется постоянный анализ аппаратно-программного обеспечения, а также его развития.

В ходе информационного поиска и анализа полученной информации определили следующее:

1. одним из наиболее чувствительных электрохимических методов анализа, позволяющим определять содержание веществ на уровне десятых и сотых мкг/л, является метод инверсионной вольтамперометрии (ИВ), поэтому его наиболее целесообразно использовать для определения следовых количеств металлов;

2. в настоящее время существует огромное количество современных вольтамперометрических анализаторов лабораторного типа, отвечающих современным требованиям (предпочтительным для использования буде считать ТА-Универсал);

3. поточный промышленный прибор, основанный на принципе вольтамперометрического анализа предоставляет возможность использования этого метода непосредственно в производственном цикле для измерения в потоке. в химической промышленности, очистке сточных вод, водоподготовке, энергетике и т. д.

Список использованных источников

.

1. Гидроэлектрометаллургия: электронный конспект лекций для студентов специальности 1−48 01 04 «Технология электрохимических производств» / Н. П. Иванова, И. А. Великанова. — Минск: БГТУ, 2010. — 103 с.

2. Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков Под редакцией В. Н. Соколова / М.: Стройиздат, 1992.

3. Чукланцева, М. М. Метрологическое обеспечение приборов компьютерного инверсионного вольтамперометрического анализа состава веществ: дис. канд. техн. наук: 05.11.13 / М. М. Чукланцева. — Томск, 2002. — 209 л.

4. Галюс 3., Теоретические основы электрохимического анализа, пер. с польск., М., 1974.

5. Каплан Б. Я., Импульсная полярография, М., 1978; Брайнина X. 3., Нейман Е. Я., Твердофазные реакции в электроаналитической химии, М., 1982.

6. Каплан Б. Я., Пац Р. Г., Салихджанова Р. М.-Ф., Вольтамперометрия переменного тока, М., 1985.

7. Бонд А. M. Полярографические методы в аналитической химииМ.: Химия, 1983.

8. Применение метода инверсионной вольтамперометрии в анализе экологических объектов [Электронный ресурс]. — 2004. — Режим доступа: http://www.kepc.com.ua/stati/stati/post-inv-va.html. — Дата доступа: 11.12.2014.

9. Румянцев, А. Ю. Компьютеризированный многокомпонентный вольтамперометрический анализ: дис. канд. хим. наук: 02.00.02 / А. Ю. Румянцев. — Москва, 2000.

10. Вольтамперометрический анализатор TA-Lab. Руководство по эксплуатации: утв. ООО Научно-производственным «ТОМЬАНАЛИТ» 20.12.04. — Томск: Дикта, 2013. — 12 с.

11. Анализатор тяжелых металлов TA-Lab [Электронный ресурс]. — 2013. — Режим доступа: http://techob.ru/katalog/katalog-priborov/elektroximicheskij-analiz/8.1.-voltamperometricheskie-polyarograficheskie-analizatoryi/analizator-tyazhelyix-metallov-ta-lab.html. — Дата доступа: 11.12.2014.

12. Вольтамперометрический анализатор TA-Универсал. Руководство по эксплуатации: утв. ООО Научно-производственным «ТОМЬАНАЛИТ» 14.02.13. — Томск: Дикта, 2013. — 17 с.

13. Каталог продукции. Аналитическое лабораторное оборудование [Электронный ресурс]. — 2012. — Режим доступа: http://tomanalit.ru/katalog. — Дата доступа: 11.12.2014.

14. Анализ следовых количеств металлов и состава гальванических ванн [Электронный ресурс]. — 2014. — Режим доступа: http://avrora-lab.ru. — Дата доступа: 11.12.2014.