Продукти і технології резюме

НОВЕ АНАЛІТИЧНЕ ОБЛАДНАННЯ SHIMADZU ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ ВОДИ

Сухомлинов А.Б.


Оцінка якості води за так званими «сумарними» показниками є найважливішим завданням будь-якій лабораторії, яка контролює якість води. У нещодавньому минулому це завдання вирішували виключно методами хімічного аналізу. Немає необхідності зупинятися на перерахуванні недоліків, які характерні для відповідних хімічних методів, тим більше, що більшість фахівців вітчизняних лабораторій мають уявлення про ефективність альтернативних хімічних інструментальних засобів контролю зазначених показників, а деякі вже мають можливість використовувати їх на практиці у своїх лабораторіях.


Найбільшим виробником приладів для визначення найважливішого сумарного показника — загального органічного вуглецю — є японська приладобудівна корпорація SHIMADZU. Її пріоритет, перш за все, забезпечений впровадженням у конструкторську практику важливих наукових досягнень, які дозволяють реалізувати визначення загального органічного вуглецю у декількох варіантах технологічної схеми аналізатора та у різноманітних моделях, що дозволяють оптимізувати рішення конкретної аналітичної задачі у залежності від ряду наступних факторів: тип водної матриці (особливо-чиста вода, питна вода, природна вода, технологічна вода, стічна вода); необхідність аналізувати тверді проби; необхідність проводити визначення за сумарним показником «загальний зв’язаний азот» і, нарешті, необхідність автоматизувати аналіз, що включає багатоканальний автоматичний аналіз. Пріоритету SHIMADZU на світовому ринку аналізаторів загального органічного вуглецю (ТОС-аналізаторів) у значній мірі сприяв запропонований японськими розробниками метод низькотемпературного термокаталітичного окиснення органічних сполук, який у поєднанні з бездисперсійним інфрачервоним детектором виявився найбільш універсальним і, при цьому, наднадійним та зручним у роботі. Слід зазначити, що окрім зазначеного вище методу в деяких моделях ТОС-аналізаторів SHIMADZU використовуються інші методи: окиснення УФ-опроміненням, хімічне окиснення, а також кондуктометричне вимірювання. Але на більшості підприємств України успішно використовують ТОС-аналізатори SHIMADZU, що працюють саме за методом низькотемпературного каталітичного окиснення, вирішуючи завдання, які пов’язані не тільки з визначенням вмісту загального органічного вуглецю у воді різного ступеня чистоти та у твердих пробах, але також для визначення загального зв’язаного азоту (із застосуванням додаткового хемілюмінесцентного детектору).


Основним блоком сучасних ТОС-аналізаторів є реактор конверсії, функцією якого є переведення усіх розміщених у пробі вуглецевовмісних сполук будь-якої структури і складу в діоксид вуглецю. Відповідно зі стандартом ЕN 1484 у якості такого вузла конверсії можуть використовуватися як реактори термокаталітичного окиснення, так і реактори хімічного окиснення у поєднанні з ультрафіолетовим опроміненням. Корпорація SHIMADZU випускає декілька моделей ТОС-аналізаторів, у яких використовуються конструкції як першого, так і другого типу реакторів. При цьому важливо зазначити, що аналізатори з реактором першого типу більш універсальні і не мають обмежень у практичному використанні. Другий метод, як зазначається стандартом EN 1484, має кілька обмежень, а саме: він не може бути використаний для аналізу проб з високим вмістом ТОС; він не може бути використаний для точного аналізу природних вод, що містять гумінові сполуки (які важко ідентифікувати у реакторі другого типу); він не може бути застосований для визначення загального азоту, а також він не може бути використаний для аналізу проб, що містять зважені частинки (які можуть включати у себе частину загального органічного вуглецю, що міститься у пробі). Слід зазначити, що саме низькотемпературний (680ºС) варіант термокаталітичного розкладання виявився найбільш зручним з практичної точки зору при використанні реакторів каталітичного типу, оскільки застосування температури порядку 900ºС (тобто за температури, яка необхідна для роботи каталізаторів, що застосовували у ранніх моделях ТОС-аналізаторів) призводить до утворення склоподібного осаду на поверхні каталізатора і швидкого припинення його роботи. При цьому, використання нового типу каталізатора, що працює за температури 680ºС, супроводжується лише появою осаду солей у кристалічній формі, що дозволяє легко змивати цей осад підкисленим розчином навіть в автоматичному режимі. Це дозволяє використовувати ТОС-аналізатори SHIMADZU без заміни каталізатора протягом декількох років. Що ж стосується ТОС-аналізаторів, у яких застосовується метод конверсії, що поєднує хімічне окиснення і УФ-опромінення (ця серія приладів у компанії SHIMADZU має абревіатуру TOC-V W), то необхідно зазначити одну важливу особливість — ці прилади можна використовувати для аналізу проб води особливої чистоти (з вмістом ТОС близько 0,5 мкг/л), що перевищує можливості термокаталітичних аналізаторів (у них нижня межа вимірювання 4 мкг/л) за рахунок особливості процесу хімічного окиснення, при якому реактор здатний переробляти проби води, обсяг яких більше на порядок. При цьому, варто зазначити, що підвищена чутливість аналізаторів серії ТОС-V W не вимагається для контролю якості води у системах водопостачання, але представляє великий інтерес для електронної промисловості.


Для вирішення завдань контролю якості води зараз найчастіше використовуються ТОС-аналізатори SHIMADZU серії TOC-L (Фото №1). Вони дозволяють виконувати аналіз проб на вміст загального вуглецю (ТС), загального органічного вуглецю (ТОС), загального неорганічного вуглецю TIC або IC (ці дві абревіатури використовуються рівноправно), нелеткого (не видаляється продувкою) органічного вуглецю (NPOC) у стандартній конфігурації приладу, а при доповненні стандартного комплекту відповідними опціями також і леткого (видаляється продувкою) органічного вуглецю (РІС) і загального азоту (TN). Всі наведені вище визначення та їх абревіатури надані відповідно до стандарту EN 1484. Прилади серії ТОС-L випускаються у декількох моделях, що розрізняються чутливістю і способом керування приладом.


Фото 1 — ТОС-аналізатор моделі TOC-L


Діапазон визначення концентрацій для ТОСаналізатора SHIMADZU моделей TOC-L CSH (модель, що керується або від персонального комп’ютера, або від вбудованого процесора) та TOC-L CPH (модель, що керується тільки від персонального комп’ютера) становить від 4 мкг/л до 35 г/л по вуглецю і від 5 мкг/л до 10 г/л по азоту. У разі, якщо вимоги до чистоти аналізованої води менш жорсткі, доцільно використовувати ТОС-аналізатор SHIMADZU моделей TOC-L CSN та ТОС-L CPN. За допомогою приладів зазначених моделей можна вимірювати такі самі параметри (TC, TOC, IC, NPOC, POC та TN), як і за допомогою моделей TOC-L CSH та ТОС-L CPH, але при цьому значення нижньої межі вимірювання для загального вуглецю вище (50 мкг/л), у той час як для неорганічного вуглецю залишається на тому ж рівні (4 мкг/л). Нижня межа визначення азоту для цих моделей становить 20 мкг/л.


Всі розглянуті вище моделі ТОС-аналізаторів являють собою засоби вимірювання лабораторного типу. Окрім таких приладів SHIMADZU випускає два типи промислових ТОС-аналізаторів для роботи у потоці. Для контролю забрудненої води найчастіше застосовуються багатоканальні (до 6 каналів) промислові аналізатори ТОС-4200 (Фото №2), а для автоматичного аналізу особливо-чистої води, де вміст ТОС може варіюватися в межах від 0,1 мкг/л до 2000 мкг/л, ефективними є аналізатори ТОС-1000е (Фото №3).


Фото 2 — Багатоканальний on-line ТОС-аналізатор моделі ТОС-4200


Для контролю елементного складу проб у лабораторній практиці найчастіше використовуються атомно-абсорбційні спектрометри. Корпорація SHIMADZU рекомендує для аналізу води прилад моделі АА-7000, який є зразком сучасної автоматизованої системи аналізу за методом атомної абсорбції. У цьому спектрометрі двопроменева оптична схема з автоматичною оптимізацією потоку газу і автоматичною оптимізацією висоти пальника забезпечує довготривалу стабільність (наприклад, при виконанні 600 вимірювань підряд, відносне стандартне відхилення не перевищує 1%), а також надійність результатів при зміні складу матриці, у тому числі в матрицях з високим вмістом органічних сполук. Високоякісна оптика та модернізована конструкція електротермічного атомізатора дозволяють проводити аналіз слідів важких металів у пробі (наприклад, визначення свинцю на рівні концентрації 0,05 мкг/л, або визначення марганцю на рівні концентрації 0,01 мкг/л). У приладі АА-7000 використовується система повністю автоматичного перемикання режимів атомізації у полум’ї та електротермічної атомізації за відповідною командою програмного забезпечення.


Фото 3 — Високочутливий on-line ТОС-аналізатор моделі ТОС-1000е


Останнім часом для вирішення задач елементного аналізу все частіше почали купувати атомно-емісійні оптичні спектрометри з індуктивно-зв’язаною плазмою (ІСП-спектрометри). Корпорація SHIMADZU випускає дві моделі таких спектрометрів: ICPE-8010 та ICPE-8020, що розрізняються режимами спостереження плазми — подвійний (аксіальний і радіальний) у моделі ICPE-8020 та одинарний (аксіальний) у моделі ICPE-8010. Зазначений тип спектрометрів за рахунок одночасного вимірювання сигналів, що належать різним аналітам, має перевагу перед атомно-абсорбційними приладами у тому випадку, коли кількість елементо-визначень становить близько 50 і більше на день. Саме з метою забезпечення високої продуктивності лабораторії заміна атомно-абсорбційного приладу оптичним ІСП-спектрометром цілком виправдана. Слід також звернути увагу на одну важливу тенденцію — це посилення норм по токсикантам елементної природи, що вимагає використання більш чутливого засобу вимірювання. У зв’язку з цим, більш перспективним для елементного аналізу є ІСП-мас-спектрометр, що дозволяє підвищити чутливість на кілька порядків у порівнянні з оптичними приладами — атомно-абсорбційними і атомно-емісійними ІСП-спектрометрами. Корпорація SHIMADZU для цієї мети випускає ІСП-мас-спектрометр моделі ICPMS-2030 (Фото № 4), який відповідає найвищим вимогам контролю якості води по чутливості, точності вимірювань і продуктивності аналізу. Для вимірювання вмісту індивідуальних органічних сполук у пробах води використовується хроматографічне обладнання. Корпорація SHIMADZU випускає як газові, так і рідинні хроматографи з різними детекторами, що включають мас-спектрометричні.



Фото 4 — ИСП-масс-спектрометр моделі ICPMS-2030


Основною моделлю газового хроматографа SHIMADZU, яка застосовується для зазначеної мети, є модель GC-2030 (Фото №5). Основною технічною характеристикою будь-якого приладу, що призначений для кількісного аналізу, є чутливість. Полум’яно-іонізаційний детектор хроматографа GC-2030 має найвищу чутливість: 1,2 пг С/сек. Варто зазначити, що у хроматографі GC-2030 може бути встановлено до чотирьох детекторів з індивідуальним контролем температури для кожного і повним електронним контролем газових потоків.


Фото 5 — Газовий хроматограф моделі GC-2030


У газовому хроматографі GC-2030 передбачено можливість надійного і безпечного застосування водню у якості газу носія, що дозволяє у два рази збільшити швидкість хроматографування і тим самим збільшити вдвічі продуктивність аналізу, а також позбавляє користувача від необхідності встановлювати газові балони з дороговартісним гелієм. У цьому випадку замість балонів з гелієм можна використовувати настільний генератор водню. При цьому потрібно врахувати, що навіть при використанні гелію у якості газу-носія, генератор водню дуже часто використовується у комплексі забезпечення хроматографічного аналізу, як джерело газу для утворення полум’я у найпоширеніших детекторах. Водень, як газ носій, має серйозну перевагу перед гелієм. Він забезпечує значно більш широку плоску ділянку на кривій Ван-Деємтера і тому дозволяє встановлювати більш високі значення лінійної швидкості. У результаті, час хроматографування може бути скорочено у два рази. Щоб гарантувати усунення ризику витоку при роботі з газом-носієм воднем, компанія SHIMADZU розробила спеціальний вбудований водневий сенсор. Цей пристрій не тільки забезпечує швидке виявлення потенційної можливості витоку в режимі «standby», але і автоматично відключає потік водню. Крім того, прилад має функцію автоматичної перевірки витоку газу-носія, що особливо корисно при використанні водню у якості газу-носія.


Велику перевагу надають користувачу хроматографа GC-2030 особливості конструкції приладу, що забезпечують вкрай простий, зручний і швидкий спосіб виконання рутинних операцій по заміні колонки і обслуговування інжекторного порту. Для цієї мети використовується технологія ClickTek, принцип якої вже був відомий: він базується у забезпеченні проведення рутинних монтажних операцій вручну без використання будь-яких інструментів. Проведення таких операцій за технологією ClickTek у приладах інших виробників вимагає певної точності у ряді послідовних рухів, що забезпечують коректний підсумковий результат. Особливість застосування технології ClickTek у випадку хроматографа GC-2030 полягає у тому, що операція вимагає тільки одного руху. Наприклад, для приєднання колонки необхідно здійснити тільки простий поворот коннектору на 90 градусів. Цього буде достатньо для забезпечення надійного герметичного з’єднання. Аналогічно, для того, щоб відкрити або закрити інжекторний порт, наприклад, при заміні інжекторної вставки, досить одного простого руху, щоб герметизувати з’єднання. З метою ідентифікації органічних сполук невідомої природи і підвищення чутливості їх визначення застосовуються хроматографи з мас-спектрометричними детекторами (хромато-мас-спектрометри). У багатьох випадках для вирішення завдань контролю якості води досить моноквадрупольного хромато-мас-спектрометра (у SHIMADZU такою є модель GCMSQP2020NX), але для надійного визначення мікрокількостей високотоксичних органічних сполук рекомендується використовувати трьохквадрупольні хромато-мас-спектрометри. У даний час найбільш чутливим газовим хроматографом з трьохквадрупольним мас-детектором є хромато-мас-спектрометр SHIMADZU моделі GCMS-TQ8050NX (Фото №6).



Фото 6 — Газовий хромато-масс-спектрометр з потрійним квадруполем моделі GCMS-TQ8050NX


Рідинні хроматографи випускаються у двох конструкційних варіантах: модульні і моноблочні. З усіх хроматографів модульної конструкції, які вже випущені, найбільшу популярність отримав прилад SHIMADZU серії LC-20. Прилади цієї серії встановлено у вітчизняних лабораторіях у кількості більше 150 комплектів і їх випуск поки ще триває, хоча вже другий рік поставляються модульні рідинні хроматографи SHIMADZU нової серії LC-40. Особливістю даної серії є варіативність блоків подачі рухомої фази, що дозволяє користувачеві обрати насос, який найкраще підходить для вирішення поставлених перед ним аналітичних задач. У серію LC-40 включені 4 види насосів з максимальним значенням тиску 44, 70, 105 або 130 МПа.


Найновішою розробкою SHIMADZU в області рідинної хроматографії є дві серії приладів моноблочної конструкції — LC-2050 та LC-2060 (Фото №7). Як і всі інші рідинні хроматографи SHIMADZU, включаючи модульні (серій LC-20, LC-30 та LC-40) і моноблочні прилади попередніх серій LC-2030 та LC-2040, нові хроматографи можуть бути використані з різними детекторами. До переліку детекторів входять:

1) спектрофотометричний дисперсійний;

2) спектрофотометричний діод-матричний;

3) рефрактометричний; 4) флуоресцентний;

5) кондуктометричний;

6) електрохімічний (амперометричний);

7) світлорозсіювальний;

8) мас-спектрометричний.



Фото 7 — Рідинний хроматограф моделі LC-2060


Прилади серій LC-2050 та LC-2060 розрізняються значенням максимального тиску (50 МПа у приладів серії LC-2050 та 70 МПа у приладів серії LC-2060).


У разі застосування мас-спектрометричних детекторів (моноквадрупольного LCMS-2020 або трьохквадрупольних LCMS-8050 та LCMS-8060) рекомендується базувати хроматографічну систему на насосах з більш високим тиском. Для цього підходять насоси серій LC-30 та LC-40. Головна перевага системи з надвисоким тиском — відсутність обмежень за геометричними параметрами аналітичних колонок і розмірами частинок застосовуваного сорбенту. Тому насоси високого тиску найбільш ефективні при використанні режиму високошвидкісної мас-спектрометрії у системах з потрійним квадруполем, що реалізовано у нових моделях рідинних хромато-мас-спектрометрів LCMS-8050 та LCMS-8060. Зазначимо, що чутливість приладу LCMS-8060 найвища серед усіх зараз випущених рідинних хромато-мас-спектрометрів з потрійним квадруполем.


На закінчення необхідно зазначити, що, як і раніше, найпоширенішими приладами для контролю якості води залишаються молекулярно-абсорбційні спектрофотометри УФ-видимого діапазону. Прилади цього типу використовуються, як правило, для виконання вимірювань концентрацій компонентів елементного складу та концентрацій аніонів, а також для виконання вимірювань за такими показниками як кольоровість і каламутність. Корпорація SHIMADZU зараз випускає шість моделей молекулярних абсорбційних спектрофотометрів УФ-видимого діапазону: UV-1280, UV-1900 UV-2600, UV-2700, UV-3600 та UV-3700. З них для контролю якості води застосовуються, як правило, три більш прості моделі: UV-1280, UV-1900 та UV-2600. Вибір тієї чи іншої моделі приладу визначається аналітичним завданням лабораторії. При виконанні вимірювань з використанням широких смуг поглинання, підходять модель UV-1280 з фіксованою (5 нм) СПП (спектральною смугою пропускання) та модель UV-1900і (Фото №8) з більш вузькою фіксованою (1 нм) СПП. При необхідності виміряти спектри, що складаються з великої кількості вузьких смуг, слід застосовувати спектрофотометр, що має високу роздільну здатність, з перемінним значенням СПП моделі UV-2600. Цей спектрофотометр має регульовану СПП, мінімальне значення якої становить 0,1 нм.

Фото 8 — Спектрофотометр УФ-видимого діапазону моделі UV-1900i


НФОРМАЦІЯ ПРО АВТОРА

Сухомлинов А.Б., директор компанії «ШимЮкрейн» — генерального дистриб’ютора SHIMADZU в Україні та Республіці Молдова

Тел. / Факси: (044) 284-24-85, 284-54-97, 390-00-23. shimukraine@gmail.com