Особенности и возможности микроволновой химии
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
?овных задач аналитической химии - выявление элементного состава вещества, в том числе с помощью спектроскопических методов. К началу 90-х годов появились полностью автоматизированные инструментарии (атомно-сорбционные, атомно-эмиссионные, рентгено-флуореiентные масс- и гамма-спектрометры, газовые, жидкостные хроматографы и т.п.). Эти приборы позволяют проводить анализ автоматически, если проба в исходном виде пригодна или предварительно переведена в форму, пригодную для анализа. Однако здесь-то и возникали проблемы, особенно при переводе в раствор образцов с биологической или технологической матрицей.
Подготовка образцов по классической схеме, предусматривающей сушку и разложение (растворение в кислотах, выпаривание, а иногда и озоление), занимает 2-11 ч (время самого анализа 2-3 мин). Причем самый длительный этап - растворение образцов в кислотах (от 30 мин до 8 ч). К тому же, будучи самым продолжительным этапом процесса анализа проб (до 61% от общего времени), пробоподготовка вносит самую большую погрешность в конечные результаты. Для решения этой проблемы в России и за рубежом были разработаны специальные установки, основной элемент которых - аналитический автоклав, помещаемый в резистивную печь (в установке их от двух до шести). Собственно автоклав - реакционная камера - представляет собой фторопластовый сосуд с уплотняющей крышкой, в котором находится проба вместе с кислотой. Камера помещается в металлический корпус, герметизация осуществляется за iет сжатия пружины при закручивании штыря в верхнюю крышку автоклава. Благодаря хорошей герметизации возникающее в автоклаве давление паров кислоты приводит к повышению температуры ее кипения и ускорению процесса разложения пробы на элементы. Применение таких более горячих кислот позволило сократить процесс кислотного растворения до 3-5 ч, исключить загрязнение раствора и потерю летучих компонентов [1,2].
При минерализации органических проб из-за разрушения матрицы выделяется большое количество углекислого газа и закиси азота. Это приводит к резкому повышению давления в реакционном объеме и необходимости быстрого снижения температуры раствора, что затруднено вследствие инерционности резистивных печей. Процесс охлаждения занимает столько же времени, сколько и процесс нагрева. В результате удается добиться полного разложения только неорганических проб.
Сократить время растворения до 20-30 мин, а общее время пробоподготовки - до 1-1,5 ч удалось за iет применения специализированных микроволновых установок, первые из которых мало отличались от бытовых СВЧ-печей. Фторопластовые автоклавы со специальной системой сброса избыточного давления размещались на вращающейся карусели в прямоугольном резонаторе. Основной показатель таких автоклавов - уровень предельного давления - в первых конструкциях не превышал 10 бар. Такому давлению соответствовала температура кипения кислоты 150-170оС. В усовершенствованной конструкции микроволновой установки автоклав, помещенный в радиопрозрачный кожух, установлен в пазах массивного полиамидного ротора (рис. 1). В результате давление повышается до 50-60 бар, а температура кипения - до 240оС. В этих установках предусмотрено непрерывное измерение температуры и давления с помощью специальных, правда, достаточно дорогостоящих датчиков, не вносящих возмущения в СВЧ-поле. Процесс растворения автоматизирован путем предварительного подбора параметров разложения проб и разработки соответствующего программного обеспечения, позволяющего не только контролировать температуру и давление процесса, но и управлять, работой магнетронного генератора в соответствии с выбранным режимом. Практически любой режим разложения может быть реализован путем установления одного из четырех требуемых значений мощности магнетронного генератора (рис. 2). В такой установке время растворения любого органического и неорганического материала с помощью соответствующей кислотной смеси составляет всего 15-30 мин. Незначительная модернизация автоклавов позволила также проводить в установке операции сушки и выпаривания [3]. В отличие от систем с резистивным нагревом, в микроволновых установках отсутствует температурный градиент вдоль стенок реактора, а выключение источника мощности мгновенно приводит к прекращению роста температуры смеси, что важно при реакциях синтеза или разложения органических материалов.
Сегодня на рынке микроволновых установок пробоподготовки лидируют фирмы CEM (США), Milestone (Италия) и Prolabo (Франция). Помимо установок для растворения проб эти фирмы выпускают муфельные микроволновые печи для озоления образцов, нагревательные установки, совмещающие вакуумную откачку с СВЧ-сушкой, микроволновые модули для синтеза органических соединений и получения сверхчистых кислот. Причем зачастую все эти функции совмещены в одной установке с роторами и автоклавами различных конструкций [4].
Однако этим установкам присущ ряд недостатков, в основном связанных с размещением ротора с автоклавами в прямоугольном многомодовом резонаторе. Прежде всего - это необходимость обеспечения мощности не менее 1 кВт из-за большой массы ротора (10 кг и более). Деформация стенок автоклава из-за текучести фторопласта при нагреве до 250оС не позволяет повышать температуру кипения растворов выше этого значения. Температуру поверхности можно было бы снизить путем ее жидкостного охлаждения, но при размещении автоклава в микроволновом поле резонатора это невозможно. Работа при температуре текучести затрудня?/p>