Разработка установки для проведения экспериментов

Для проведения экспериментов была разработана установка, приведенная на рисунке 10 и на рисунке 12.

Рисунок 10 - Установка для проведения экспериментов

Принципиально важным вопросом для проведения анализа содержания окислов азота является наличие методики приготовления стандартной парогазовой смеси окислов азота. В литературе ссылок на методику такого типа найти не удалось. Сложность приготовления парогазовой смеси заключается в высокой реакционной способности окислов азота практически по отношению ко всем веществам. Кроме того, по современным представления окислы азота представляют собой достаточно устойчивые во времени свободные радикалы. АТ и его исходный окисел - двуокись азота представляют собой таким образом представляет собой радикалы пятивалентного азота NO₂*.

Проблема приготовления парогазовой смеси была решена следующим образом. В герметичный сосуд объемом 5 литров помещался нитрит натрия в навеске определенной массы (7,4; 29,6; 74) мг. Затем к нему добавляли 0,2 мл воды дистиллированной и 0,5 мл концентрированной серной кислоты. Добавление дистиллированной воды принципиально важно, т.к. реакция с концентрированной серной кислотой с высоким выходом окислов азота не идет.

2NaNO₂ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + NO + NO₂ + H₂O

2NO + O₂ = 2NO₂

После протекания реакции двуокись азота вытеснялась в воздух, а окись азота в течение небольшого времени окислялась до двуокиси. Данный процесс записан на цифровую фотокамеру и демонстрирует образование окислов азота в 2 концентрациях (7,4; 74) мг. Внешний вид образовавшихся окислов приведен на рисунке 10.

Объем прокачиваемой пробы сильфоном ПГА-ВПМ равен 280 см³, а диапазон линейного определения окислов азота лежит в пределах от 0 до 160 мкг в пробе. Тогда предельная концентрация, которую можно определить при прокачивании 280 мл будет:

С = 160 мкг/280 мл = 0,57 мкг/мл

Тогда в 5 литрах воздуха в баллоне должно быть:

0,57 мкг/мл*5000 мл = 2850 мкг - это максимальное количество NO₂ в воздухе, на объем 5 литров, которое определяется в пределах линейности данного способа. Для создания этой концентрации необходима навекска нитрита натрия, которая определяется из расчета:

138 у. е. NaNO₂ > 46 у. е. NO₂

X мкг NaNO₂ > 2850 мкг NO₂

Х = 8550 мкг NO₂

Количество окиси азота, которое будет образовано из нитрита натрия можно рассчитать по соотношению: 30 у. е. NO дают при протекании реакции 92 у. е. NO₂.

138 у. е. NaNO₂ > 30 у. е. NO

8,55 мг NaNO₂> Х мг NO

Х = 1,86 мг NO Из 30 у. е. NO образуется 92 у. е. NO₂. Тогда из 1,86 мг NO будет образовано:

30 у. е. NO > 92 у. е. NO₂

1,86 мг NO > Х мг NO₂

Х = 1,86*92/30 = 5,7 мг NO₂

Навеска NaNO₂ весом 8,55 мг дает: по реакции m (NO₂) = 2850 мкг, NO₂ путем окисления NO получается 5700 мкг. Следовательно, для получения нужной концентрации в баллоне необходимо уменьшить навеску в 3 раза. Т.о. масса навески равна 2,85 мг.

Навеска 2,85 мг NaNO₂ дает концентрацию 2850 мкг NO₂ в 5 литрах паровоздушной смеси. Соответственно:

2 мг NaNO₂ > 2000 мкг NO₂ в 5 литрах;

1 мг NaNO₂ > 1000 мкг NO₂ в 5 литрах;

0,5 мг NaNO₂ > 500 мкг NO₂ в 5 литрах.

Для объема пробы в 10 мл - объем шприца, посредством которого можно дозировать пробу, максимальная концентрация в пределах диапазона линейности будет:

С_макс = 160 мкг/10 мл = 16 мкг/мл

Тогда масса NO₂ в сосуде объемом 5 литров составит:

16 мкг/мл * 5000 мл = 80 мг NO₂ Таким образом, из:

138 у. е. NaNO₂ > 46 у. е. NO₂

Х мг NaNO₂> 80 мг NO₂

Х = 240 мг NaNO₂

240 мг NaNO₂ дают 80 мг - NO₂ и 160 мг по реакции NO > NO₂. Следовательно: 80 мг NaNO₂ образуют 80 мг NO_2, включая реакцию NO>NO₂. Соответственно:

60 мг NaNO₂ > 60 мг NO_2, включая реакцию NO>NO₂

40 мг NaNO₂ > 40 мг NO_2, включая реакцию NO>NO₂

20 мг NaNO₂ > 20 мг NO_2, включая реакцию NO>NO₂

5 мг NaNO₂ > 5 мг NO_2, включая реакцию NO>NO_2.

В герметичный сосуд объемом 5 литров помещался нитрит натрия в навеске определенной массы (20; 40; 60; 80) мг. Затем к нему добавляли 0,2 мл воды дистиллированной и 0,5 мл концентрированной серной кислоты.

На фотографии представлены парогазовые смеси с количеством NO₂: 80, 60, 40, 20 мг.

В верхней части баллона для обеспечения максимально полного реагирования компонентов и для равномерного распределения паро-газовой смеси по всему объему была прикреплена кювета малого объема. Для впрыскивания серной кислоты и воды через отверстие в крышке баллона использовался медицинский щприц (V=2 мл).

Рис. Техника введения компонентов для приготовления паровоздушной смеси окислов азота

Внутри сосуда установлены две стеклянные трубки разной длины. Через длинную осуществлялся отбор проб, а через короткую - приток свежего воздуха в сосуд в процессе отбора. В связи с тем, что пары NO₂* тяжелее воздуха при отборе проб объемом 280 мл в течение 10 раз концентрация существенно не изменялась. Отбор проб осуществлялся с помощью прибора ПГА-ВПМ. Объем прокачиваемого воздуха - 280 мл.

Баллон с двуокисью азота был подсоединен к двум последовательно соединенным поглотительным устройствам Рыхтер, в которые был помещен спиртовой раствор солянокислого бензидина. Второе поглотительное устройство подсоединялось с целью определения возможного проскока. С помощью сильфона из баллона с паро-газовой смесью была прокачена проба V=280 см³ (Рис.).

Рисунок - Лабораторная установка для определения окислов азота и емкости для приготовления паровоздушной смеси

В ходе опыта было установлено, что реакция оксида азота и солянокислого бензидина проходит через промежуточную стадию окрашивания раствора в темно-зеленый цвет. С течением времени около 3-5 минут раствор приобретает характерный темно-красный цвет. Во втором поглотителе имеет место небольшой проскок, ~5%.

Основные направления работы были связаны с исследованием цветной реакции в поглотительном приборе. Разбавляя полученный в ходе опыта темно-красный раствор оксидов азота и солянокислого бензидина до состояния, приемлемого для измерения оптической плотности, можно определить концентрацию данного разбавленного раствора по полученной ранее шкале и с учетом коэффициента разбавления пересчитать концентрацию исходного раствора (для получения различной интенсивности окрашивания и увеличения точности определения разбавляли полученный раствор этиловым спиртом).

Была исследована возможность прямого определения двуокиси азота по ее характерной коричневой окраске путем фотометрирования. Для этого было взято три навески NaNO₂ 40 мг, 60 мг, 80 мг и приготовлено три парогазовых смеси. Предварительно был снят спектр во всей возможной области для СФ-26: от 210 нм до 760 нм. Областью наибольшего поглощения является УФ область 220-230 нм. Таким образом данный диапазон может быть рекомендован для определения двуокиси азота прямым методом. На приведенных рисунках видно наличие характерной окраски в закрывающихся кварцевых кюветах. Техника приготовления определенной концентрации двуокиси азота показана на рисунке…. Приготовленная стандартная концентрация окислов азота прокачавалась через кювету, которая была закрыта пробкой из резины протыкаемой двумя иглами. После прокачивания кювета освобождалась от иголок и фотометрировалась.

Приготовленные смеси были прокачаны через кварцевые кюветы и была измерена их оптическая плотность относительно воздуха. Результаты представлены в таблице.

D	Масса навески, мг	Объем баллона, л	Концентрация, мг/л
0,007	40	5	8
0,03	60	5	12
0,04	80	6	13,3

По графику можно сделать вывод, что зависимость D = f(C) линейная.

Зависимость D = f(C) для двуокиси азота определяемой спектрофотометрическим методом по пару в воздухе

Приготовление составляющих ингридиентов для проведения эксперимента

Приготовление индикаторного порошка

Смешивают 0,5 г мелкого силикагеля с 0,2 мл насыщенного раствора солянокислого бензидина до тех пор, пока порошок не станет сухим на вид. Затем прибавляют 0,1 мл 0,5%-ного раствора -нафтола, 0,1 мл 0,1%-ного раствора хлорида никеля, порошок перемешивают и высушивают при комнатной температуре (Рисунок 13). Индикаторный порошок должен быть белого цвета, как показано на рисунке 14.

(а)

(б)

(в)

Рисунок 13 - Приготовление индикаторного порошка:

а - добавление к силикагелю солянокислого бензидина;

б - добавление спиртового раствора хлорида никеля;

в - перемешивание полученной смеси ингредиентов



Рисунок 14- Исходный индикаторный порошок

Следует заметить, что приготовленный индикаторный порошок с течением времени, приблизительно равного одному месяцу, изменяет свою окраску с белого цвета на коричневый, как представлено на рисунке 15. Порошок коричневого цвета является не пригодным для проведения опытов. Для повышении срока годности данного реактива, его хранили в инертной гелийной атмосфере. Как показала практика в инертной атмосфере инкдикаторный порошок сохраняет свои свойства и внешний вид до года.

Рисунок 15- Индикаторный порошок с истекшим сроком годности

Приготовление индикаторных трубок

В стеклянную трубку диаметром 3 мм и длиной 100 мм насыпают слоем в 2 мм индикаторный порошок. По обе стороны порошка помещают мелкий силикагель слоем 3 мм и вводят по небольшому стекловатному тампону. Полученная индикаторная трубка представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Вид индикаторной трубки

Ход эксперимента

Для приготовления концентраций NO₂*, равных (1, 4, 10) мг/м³, взвешивали три разные навески нитрита натрия: 7,4 мг; 29,6 мг; 74 мг соответственно и смешивали их с 0,2 мл воды дистиллированной и 0,5 мл концентрированной серной кислоты.

При увеличении или уменьшении величины навески возможно приготовление более и менее концентрированных паровоздушных смесей. Смесь является нестойкой и спустя несколько часов ее концентрация сильно меняется. По этой причине приготовленные смеси использовались сразу после приготовления, а при постановке новой серии экспериментов готовились заново.

В ходе пропускания через ИТ парогазовой смеси 1 стандартной концентрации уже приблизительно при пропускании 50 мл воздуха, на ней появилось бирюзовое (сине-зеленое) окрашивание, которое быстро переходило первоначально в коричневый цвет, а затем, спустя (15-20) минут в розовый.

Таким образом по результату эксперимента можно сделать вывод, что ИТ позволяет контролировать концентрацию окислов азота по наличию всех типов окрашивания. При этом чувствительность трубки может быть повышена.

Проведение эксперимента с хлоридом никеля в изопропиловом спирте.

При проведении экспериментов, было установлено, что на процесс определения сильно влияет растворитель. Замена растворителя - этилового спирта на изопропанол приводит к изменению цвета окрашивания в ИТ.

Для проведения опыта была взята навеска хлорида никеля массой 200 мг и растворена в 127 мл изопропилового спирта. Из полученного 0,25% раствора NiCl₂*6H₂O в изопропаноле, был приготовлен новый индикаторный порошок. Далее была приготовлена ИТ, содержащая слой 7 мм данного индикаторного порошка.

Для приготовления воздушной смеси бралась наибольшая имеющаяся навеска нитрита натрия, равная 74 мг, которая создает концентрацию двуокиси азота С=10 мг/м3 в 5 л объема. При пропускании воздуха, через ИТ на изопропаноле было зафиксирована равномерное желтое окрашивание, что соответствует рисунку 17.

Рисунок 17 - Окрашивание ИТ, приготовленной на основе растворителя - изопропанола

3.4 Определение окислов азота на основе спектрофотометрического метода

Спектрофотометрические методы обладают значительными преимуществами по сравнению с ЛКМ, выражающиеся в большем линейном диапазоне и повышенной чувствительностью определения. Поэтому была исследована возможность построения шкалы для определения окислов азота по данному способу определения.

Для проведения следующих экспериментов были применены поглотительные приборы ТУ 9452-016-00480514-95. В промышленности выпускаются поглотительные приборы следующих типов: простой, поглотитель с пористой пластиной, Рыхтер (Рисунок 18), Полежаева, Петри, Зайцева, Яворской. Поглотители имеют сравнительно небольшой коэффициент поглощения, поэтому при анализе часто устанавливаются по 2-3 в связке. Часто поглотители объединяются в системы для большего удобства в работе.

Рисунок 18 - Поглотитель Рыхтер

Основные направления работы были связаны с исследованием цветной реакции в поглотительном приборе и ее изменения при различных вариантах проведения:

1) для получения различной интенсивности окрашивания и увеличения точности определения разбавляли полученный раствор этиловым спиртом в (1,5-2) раза;

2) заменяли растворитель хлорида никеля с этанола на изопропанол;

3) изменяли концентрацию каждого ингредиента на 50% в обе стороны:

· солянокислый бензидин 0,5:1:1; 1,5:1:1;

· Я-нафтол 2:1,5:1; 2:0,5:1;

· NiCl₂*6H₂O 2:1:1,5; 2:1:0,5.

Реактивы для определения в жидкой фазе брались в том же соотношении, в каком они используются при приготовлении ИТ.

В поглотительный прибор помещали в соотношении 2:1:1:

1) солянокислый бензидин (спиртовой раствор);

2) Я-нафтол (спиртовой раствор);

3) спиртовой раствор хлорида никеля.

Объем исходной смеси был выбран равным 5 мл - оптимальным для поглотительного прибора Рыхтер. При пропускании 280 мл смеси двуокиси азота в воздухе с концентрацией 100 мг/м³ наблюдается изменение окраски от светло-желтой до бирюзово - зеленой, а затем до вишнево красной в диапазоне возрастающего количества двуокиси азота от 1 до 28 мкг (Рисунок 19).



Рисунок 19 - Окрашивание раствора в поглотительном приборе по окончании прокачки 280 мл

Данный процесс записан на цифровую видеокамеру и представлен в приложении к дипломной работе (Файл. «Покачивание»).

Диапазон концентраций при определении может быть по чувствительности достаточно сильно изменен. Для этого достаточно разбавить исходную смесь этиловым спиртом. В качестве примера брали исходную смесь всех компонентов в соотношении (1:0,5:0,5) соответственно, разбавляем ее 2 мл этилового спирта, затем пропускали через поглотительный прибор паровоздушную смесь окислов азота. При пропускании наблюдается растягивание окрашивания во времени - формирование зеленого окрашивания, переходящего в красное, что позволяет более точно регистрировать величину концентрации окислов азота а также итоговое окрашивание из-за разбавления становится менее выраженным, что представлено на рисунке 20.



Рисунок 20 - Сравнение интенсивности окрашивания при разбавлении реактивного раствора этанолом

Данное разбавление позволяет более точно определить концентрации окислов азота в диапазоне от 1 до 5 мкг. (Файл «Прокачивание при разбавлении»).

При замене спирта в хлориде никеля с этилового на изопропиловый и, проводя эксперимент в таких же соотношениях, существенного отличия не получали. Окраска изменяется аналогично этанолу.

При изменении соотношения в реактивном растворе солянокислого бензидина в сторону увеличения до 1,5, в сторону уменьшения 0,5 были получены следующие данные:

При увеличении объема полученный реактивный раствор имел более длинный период зеленого окрашивания а при развитии красного имел более темный оттенок.

При уменьшении объема полученный реактивный раствор имел более короткий период зеленого окрашивания, а при развитии красного имел более коричневый оттенок, как показано на рисунке 21.



Рисунок 21 - Сравнение влияния количества солянокислого бензидина в реактивном растворе: справа исходный вариант развития окраски при соотношении реактивов 2:1:1, в центре - соотношение 3:1:1, слева соотношение - 1:1:1

Изменение соотношений других реактивов реактивного раствора на цвет окрашивания не повлияли.

Построение шкалы для спектрофотометрического определения оксида азота

Для построения шкалы был приготовлен растворы нитрита натрия с различными концентрациями мкг/мл в этиловом спирте.

1. C (NaNO₂) = 4 мкг/мл

В 100 мл раствора содержится 400 мкг = 0,4 мг NaNO₂. Было взято 0,4 мг NaNO₂ и растворено в 100 мл этанола.

2. C (NaNO₂) = 20 мкг/мл

В 100 мл содержится 2000 мкг = 2 мг. Было взято 2 мг NaNO₂ и растворено в 100 мл этанола.

3. C (NaNO₂) = 200 мкг/мл

В 100 мл содержится 20000 мкг или 20 мг. Было взято 100 мл этанола и растворено в них 20 мг NaNO₂.

4. Раствор солянокислого бензидина должен быть объемом 150-200 мл.

5. 0,5% спиртовой раствор в-нафтола

0,5 г в-нафтола в 100 г. этанола

с = 0,81 г./см³

V = 100г/0,81 = 123,45 мл

Т.о. 0,5 г в-нафтола заливаем 123 мл этанола.

6. NiCl₂Ч6H₂O 0,1 спиртовой раствор

М = 59+35,5*2+18*6 = 237

В 237 г. NiCl₂Ч6H₂O > 129 г. NiCl₂

x < 0,1 г NiCl₂

x = 237*0,1/129 = 0,184 г.

Т.о. 0,184 г. NiCl₂Ч6H₂O растворяем в 123 мл этанола.

7. Итого этанола необходимо взять 746 мл.

Шкала строилась при внесении реактивов, представленных в таблице 6, и показана на рисунке 22.

Таблица 6 - Построение шкалы для спектрофотометрического анализа

Наименование раствора	Объем раствора, мл
Спиртовой раствор NaNO2 (4 мкг/мл)	-	0,6	1,2	-	-	-	-	-
Спиртовой раствор NaNO2, (20 мкг/мл)	-	-	-	0,75	1,5	-	-	-
Спиртовой раствор NaNO2, (200 мкг/мл)	-	-	-	-	-	3	0,6	1,2
Спирт, мл	2	1,4	0,8	1,25	0,5	1,7	1,4	0,8
Солянокислый бензидин, мл	2	2	2	2	2	2	2	2
в-нафтол, 0,5%	1	1	1	1	1	1	1	1
NiCl2, 0,1%	1	1	1	1	1	1	1	1
Эквивалент NO2	0	2,4	8	15	30	60	120	240



Рисунок 22 - Шкала растворов нитрита натрия

В результате фотометрирования образовавшегося окрашивания было установлено, что шкала становится линейной и воспроизводимой спустя 20-30 минут после ее приготовления. В более ранний период зависимость нелинейна. Полученная зависимость спустя 20-30 минут выражено линейна в диапазоне до 200 мкг иона NО2 в пробе, что является достаточно высоким показателем для определения высоких концентраций двуокиси азота (Рисунок 23).

Оптическая плотность растворов была измерена с помощью СФ-26 относительно нулевого стандарта при длине волны л=400 нм.

Была получена зависимость:

№ стандарта	Оптическая плотность	Количество NO2 в пробе по шкале
1	0,01	2,4
2	-	-
3	0,105	15
4	0,145	30
5	0,300	60
6	0,560	120
7	1,200	240



Рисунок 23 - Зависимость оптической плотности от концентрации иона NO2 в пробе

Выпала точка №3.

Для определения длины волны, на которой должно проводиться спектрофотометрическое определение был снят спектр окрашенного продукта, который приведен на рисунке 24.

Рисунок 24 - Спектр окрашенного продукта при определении на спектрофотометре СФ-26

Исходя из спектра целесообразной длиной волны для определения является длина волны 400 нм. Данные спектра представлены в таблице 7.

Таким образом, экспериментально установлена возможность определения окислов азота спектрофотометрическим методом по рассматриваемой реакции.

Таблица 7 - Спектр окрашенного соединения

л, нм	D
400	0,74
420	0,69
440	0,6
460	0,57
480	0,54
500	0,5
520	0,48
540	0,44
560	0,37
580	0,32
600	0,27
620	0,25
640	0,23
660	0,22
680	0,22

Из растворов был исключен NiCl₂. Шкала получилась, первые четыре пробы отливают зеленым цветом. Для данных растворов также была измерена оптическая плотность.



№ стандарта	Оптическая плотность	Количество NO2 в пробе по шкале
1	0,006	2,4
2	0,015	8
3	0,075	15
4	0,175	30
5	0,4	60
6	0,863	120
7	1,55	240

NiCl₂ на качество шкалы не влияет. Он применяется для увеличения контрастности окрашивания.

Из растворов были убраны NiCl₂ и в-нафтол >шкала получилась.



№ стандарта	Оптическая плотность	Количество NO2 в пробе по шкале
1	0,035	2,4
2	0,025	-
3	0,125	15
4	0,25	30
5	0,60	60
6	1,25	120
7	2,00	240

Было установлено, что в области высоких концентраций наблюдается нарушение закон Будера - Ламберта, т.е. линейная зависимость D от количества NO₂ существует при концентрациях NO₂, не превышающих 155 мкг/мл.

В ходе разработки данного метода получили колористическую шкалу на базе спиртовых растворов солянокислого бензидина с NaNO₂. Соотношения объемов реагентов приведены в таблице.

Наименование раствора	Объем раствора, мл
Спиртовой раствор NaNO2 (4 мкг/мл)	-	0,6	1,2	-	-	-	-	-
Спиртовой раствор NaNO2, (20 мкг/мл)	-	-	-	0,75	1,5	-	-	-
Спиртовой раствор NaNO2, (200 мкг/мл)	-	-	-	-	-	3	0,6	1,2
Спирт, мл	2	1,4	0,8	1,25	0,5	1,7	1,4	0,8
Солянокислый бензидин, мл	2	2	2	2	2	2	2	2
Эквивалент NO2	0	2,4	8	15	30	60	120	240

NiCl₂ можно добавить в растворы для улучшения контрастности шкалы.

4. Результаты работы и их обсуждение

В результате выполнения дипломной работы были получены следющие основные результаты:

- опробована методика определения высоких концентраций окислов азота по реакции с солянокислым бензидином;

- отработан способ получения стандартных парогазовых смесей окислов азота в воздухе статическим методом;

- на базе реакции окислов азота с солянокислым бензидином предложен спектрофотометрический метод определения окислов азота в области высоких концентраций.

Главная проблема данного объекта исследования заключается в точности приготовления стандартных парогазовых смесей. В исходной методике и в литературе никаких сведений по приготовлению калибровочных смесей обнаружить не удалось. В литературе приведены только способы получения двуокиси азота, которые не позволяют по ряду причин приготовить стандартную концентрацию. При использовании реакции концентрированной азотной кислоты с медью весьма проблематично обеспечить ее протекание внутри сосуда с воздухом из-за слишком долгого процесса взаимодействия от 20 до 30 минут. Результатом такого протекания реакции является длительный процесс установления неизменной концентрации.

Реакция прокаливания нитрата свинца обладает теми же недостатками с точки зрения длительности установления концентрации и осуществить прокаливание в герметичном пластиковом сосуде, в котором готовятся смеси, практически не возможно.

Предложенный мною способ так же не является идеальным, хотя обладает главным достоинством - быстрым, одномоментным выделением оксидов азота в герметичный объем, в котором осуществляется перемешивание. Расчетное значение концентрации реально будет несколько выше из-за потерь окислов азота в небольшом количестве разбавленной серной кислоты (за счет их растворения). Проведенные эксперименты показывают, что установление постоянной концентрации происходит в течение (5-6) минут. Однако, при стоянии происходит падение концентрации окислов азота, что даже заметно, спустя сутки, невооруженным глазом. В дальнейшем смесь устойчиво храниться около двух суток. Для приготовления парогазовой смеси использовались инертные газы (гелий, азот), которые способствуют устойчивости смеси во времени. Вытеснению воздуха из сосудов емкостью 5-6 литров проводили продувкой гелием сосуда в течение (3-4) минут. Навеска нитрита натрия заранее до продувки размещалась в пластиковом контейнере, а серная кислота вводилась шприцом в емкость при проколе крышки. Приготовление в инертном газе обеспечивает большую стабильность парогазовой смеси. Вместе с тем оценка точности приготовления проведена не была. Приготовленные парогазовые смеси в воздухе обеспечили описанный в исходной методике аналитический результат. Идеальным вариантом приготовления смесей является вариант их разбавления в газообразном виде из баллона с известной стандартной концентрацией, приготовленной в заводских условиях. Такой вариант реализован не был из-за высокой стоимости. Теоретически возможно достаточно точное приготовление парогазовой смеси из баллона, путем отбора из него определенного объема большим шприцом и внесение этого объема в емкость.

При отработке линейно - колористического метода определения была достигнута хорошая воспроизводимость результатов в соответствии с описанием метода. Однако, при разбавлении реактивного раствора этиловым спиртом было получено зеленое окрашивание ИТ, возникающее дополнительно перед розовым. Данный эффект может быть использован как колориметрический в другом диапазоне определения, который к настоящему моменту не выявлен и может быть реализован в последующих исследованиях.

Возможно использование данной ИТ со слоем наполнителя не (4-5) мм, а (30-50) мм с реализацией ЛКМ. При приготовлении ИТ такого типа наблюдалось значительное размывание реагирующего слоя. При выдержке трубки в течение нескольких часов, наблюдалось достаточно сильное изменение окраски. Это позволяет сделать вывод о невозможности реализации метода ЛКМ при данной реакции определения. По этой причине была предпринята попытка разработки спектрофотометрического метода определения.

Предложен новый способ спектрофотометрического определения двуокиси азота в воздухе, обладающий линейностью в диапазоне высоких концентраций окислов азота от 10 до 200 мкг в пробе.

Были выполнены эксперименты с использованием реагирующей системы - солянокислого бензидина, -нафтола, хлористого никеля в виде спиртовых растворов при использовании линейно колористического метода и спектрофотометрического методов. Для образующегося окрашенного соединения сняты зависимости оптических плотностей от длины волны видимого света и построен градуировочный график для оксидов азота по нитрит иону. Установлено наличие нескольких окрашенных продуктов, позволяющих выполнять определения в различных диапазонах концентраций.

Выполнено исследование возможности определения по окрашенному веществу красно-коричневого цвета. Установлено наличие линейного диапазона, позволяющего проводить определение.

Установлен максимум поглощения спектра для продукта красно-коричневого цвета с длиной волны 400 нм. Данная длина волны и является рекомендуемой при определении окислов азота спектрофотометрическим методом.

Были сняты спектры продуктов окрашенной реакции в видимой области на спектрофотометре СФ-26, которые показывают возможное наличие в реактивном растворе однотипных, но различно окрашенных соединений, образующихся с увеличением концентрации двуокиси азота.

Для использования фотометрического способа определения окислов азота возможно установление диапазона линейности для каждого продукта при изменении:

- соотношения исходных компонентов - бензидина, бетта-нафтола, хлористого никеля;

- разбавление их в реагирующей смеси этиловым спиртом;

- приготовление растворов на изопропиловом спирте и других спиртах;

- выбор оптимальной длины волны для спектрофотометрического определения на каждом участке концентраций.

Воспроизведен способ контроля концентраций двуокиси азота по реакции с солянокислым бензидином в присутствии хлорида никеля и бетта нафтола.

ИТ реагируют с двуокисью азота с образованием продукта красно-коричневого цвета в широком диапазоне концентраций. Предел чувствительности составляет около 0,5 мг\м³. С изменением концентрации цвет отработавшего слоя изменяется от розового до красно-коричневого. В области высоких концентраций цвет становится желтым, переходящим в красный.

ИТ должна храниться в герметично закрытом состоянии, в атмосфере азота (гелия), без доступа света. При хранении ИТ в открытом виде реагирующая способность сохраняется в течение (2-3) суток. С увеличением срока хранения ИТ в открытом виде, реактивное вещество испаряется с поверхности силикагеля и частично разлагается. Результатом этих процессов является сильное снижение чувствительности ИТ за время около (5-10) дней. Предпочтительным вариантом хранения является хранение реактивного порошка в инертной атмосфере герметично закрытым. В этом случае ориентировочное время сохранения индикаторного порошка в пригодном для использования виде составляет около 0,5 года.

5. Технико-экономическое обоснование работы

5.1 Расчет затрат на проведение исследовательской работы

Затраты на проведение исследовательской работы могут состоять из текущих и капитальных. В состав текущих входят затраты на израсходованные реактивы, сырье, материалы, различные виды энергии, заработная плата исследователя, руководителя, консультанта, на исследуемые в процессе приборы, амортизационные отчисления от стоимости этих приборов, расходы, связанные с выполнением специальных анализов и общеинститутские расходы.

При проведении данной исследовательской работы имели место только текущие затраты, т.к. специальные приборы и монтаж дополнительного оборудования не требовался.

Для определения общей суммы текущих затрат составляется смета, представляющая собой свод всех текущих затрат на выполнение исследовательской работы.

Затраты на сырье, материалы и реактивы (З_м), израсходованные при проведении работы определяются по формуле (2):

, (2)

где Р_i - расход i-го видов материальных ресурсов, натур. ед.;

С_i - цена i-го вида материальных ресурсов, руб.;

i = 1, 2, 3,… n - виды материальных ресурсов.

Результаты расчета этих затрат отражены в таблице 8.

Таблица 8 - Затраты на сырье, материалы и реактивы

№	Наименование сырья, материалов, реактивов	Ед. изм.	Кол-во израсходованного материала	Планово-заготовительная цена единицы ресурса, руб.	Стоимость ресурсов, руб.
1	Нитрит натрия (NaNO2) ч	кг	0,293	36,40	10,7
2	Серная кислота (H2SO4)	л	0,03	25	0,75
3	Вода дистиллированная	л	3	27	81
4	Я-нафтол (спиртовой раствор) (C10H7OH)	кг	0,05	320	16
5	Хлорид никеля (спиртовой раствор) (NiCl2*6H2O)	кг	0,05	200	10
6	Этиловый спирт (C2H5OH)	л	0,325	24	7,8
7	Изопропиловый спирт (CH3CH(OH) CH3)	л	0,250	420	105
8	Силикагель КС КГ	кг	0,25	56	14
9	Солянокислый бензидин	л	0,002	1200	2,4
Итого: 244,2 руб.

В состав энергетических затрат входят затраты на электроэнергию, пар, холод и т.д., израсходованные при выполнении исследования на технологические нужды. При выполнении данной исследовательской работы использовалась только электроэнергия.

Затраты на электроэнергию (З_э) определяются по формуле (3):

, (3)

где М - паспортная мощность электродвигателей электроприборов, кВт;

К_и - коэффициент использования мощности электрооборудования (принимается К_и = 0,7 - 0,9);

К_эх - коэффициент, учитывающий затраты на содержание энергохозяйства предприятия (принимаем К_эх =1,07-1,1);

Т - время работы электрооборудования за весь период выполнения исследования, ч;

Ц - цена 1 кВтч электроэнергии, 2,55 руб./кВт.

Затраты на электроэнергию представлены в таблице 9.

Таблица 9 - Затраты на электроэнергию

Наименование приборов	Номинальная паспортная мощность единицы электрооборудования кВт	Количество единиц электрооборудования, шт.	Номинальная мощность всего установленного электрооборудования, кВт	Коэффициент спроса	Коэффициент увеличения заявленной мощности за счет потерь энергии в сетях	Заявленная мощность электрооборудования, кВт ,	Эффективный годовой фонд времени работы электрооборудования в году, час	Годовой расход электроэнергии, кВт*ч
Весы аналитические БЛР-200	0,10	1	0,1	0,9	1,1	0,099	5	0,495
Весы лабораторные WAS 220/C2	0.0083	1	0,0083	0,9	1,1	0,008	3	0,024
Вытяжной шкаф (вентилятор осевого типа общего назначения)	0,2	1	0,2	0,9	1,1	0,198	10	1,98
Спектрофотометр СФ-26	0,1	1	0,1	0,9	1,1	0,099	2	0,198
Газоанализатор ПГА-ВПМ	0,1	1	0,1	0,9	1,1	0,099	6	0,594
ИТОГО:		0,503		3,291

Ц=2,55 руб./кВт.

З_э=3,29·2,55·1,1=9,23 руб.

Затраты на воду рассчитываются исходя из ориентировочного расхода и цены по формуле (4):

Зв=Q·Ц, (4)

где Зв - затраты на воду, руб.;

Q - расход воды, л;

Ц - цена на воду за 1 л, руб.

Ц =19 руб./л.

Определение затрат на воду приведено в таблице 10.

Таблица 10 - Затраты на воду

Наименование	Расход, л	Цена, руб./л	Затраты, руб.
Вода	2	19	38

При переходе научных подразделений на хозрасчет, важным показателем оценки проводимого исследования является договорная цена на НИР Ц_нир, которая рассчитывается по формуле (5):

, (5)

где З_нир - затраты на исследование, предусмотренные планом дипломной работы, руб.;

Р - уровень рентабельности исследования, 20%;

К - коэффициент, учитывающий поощрительную надбавку за качество разработки (К = 1).

Научно-технический эффект НИР рассчитывается по формуле (6):

, (6)

где y_i - величина частного показателя, балл;

Исходя из степени новизны исследования у₁ = 50.

Исходя из научно-технического уровня исследования у₂ = 70.

Исходя из уровня глубины воздействия в процессе использования

у₃ = 30.

k_i - весовой коэффициент i-го частного показателя;

k = 0,33

i = 1, 2, 3,… n - количество учитываемых частных показателей.

Э_ит =50·0,33 + 70·0,33 + 30·0,33 = 49,5 следовательно К=1,5.

Затраты на стеклянную посуду приведены в таблице 11.

Так как оборудование для опытов не покупалось, а использовалось то, что было в лаборатории, то затраты на посуду и приборы составят всего 30% от суммы полученной выше.

Таблица 11 - Затраты на стеклянную посуду и приборы

№	Наименование прибора	Кол-во, шт.	Цена, руб.	Стоимость, руб.
1	Поглотительные приборы	2	235	470
2	Цилиндр с пришлифованной пробкой (емкость 25 мл.)	1	82	82
3	Цилиндр мерный 100 мл.	2	115,75	231,2
4	Пипетка градуированная	4	18,00	72
5	Пробирка с оттянутым концом	65 см. d=7	1	19	19
		100 см d=7	1	25	25
6	Колба мерная	100 мл.	2	34	68
		1 л.	1	316	316
7	Трубка гофрированная вертикальная	2	18	36
8	Палочка стеклянная	2	5,3	10,6
9	Пробирка стеклянная без делений с одной отметкой	12	5	60
10	Пробирка центрифужная с пробкой, ПС, Ш 16х100 мм, емкостью 10 мл нестерильная	7	20	140
11	Кюветы кварцевые из оптического стекла	4	52	208
12	Стакан высокий	2	47,75	95,5
13	чашка Петри ЧБН-1-100	2	29,5	59
14	ИТ (индикаторные трубки) Наружный диаметр 6,9 мм	5	25	125
	ИТОГО		2017,3

Таким образом затраты на стеклянную посуду и приборы определяются по формуле:

З_пп=2017,3·0,3=605,19 руб.

Сумма амортизационных отчислений определяется по формуле (7):

, (7)

где Ф - стоимость использованного в работе оборудования и приборов, руб.;

Н_а - годовая норма амортизации, %;

Т - время их использования для данного исследования, мес.

Расчет амортизационных отчислений приведен в таблице 12.

А=(32800·15·1+53200·15·1+18600·15·1+22300·20·1+68023·20·1)/(100•12)= 2812,92 руб.

Затраты на основную заработную плату исполнителя определяются исходя из месячной стипендии по формуле (8):

, (8)

где n - число месяцев, отведенных для выполнения дипломной работы;

n = 3;

С - размер месячной стипендии исследователя, руб.

С = 1600 руб.

ЗП_исп=1600•3=4800 руб.

Таблица 12 - Расчет амортизационных отчислений

№	Наименование прибора	На, %	Время использования, мес.	Стоимость, руб.	Амортизационные отчисления, руб.
1	Весы аналитические БЛР-200	15	1	32800,00	410,00
2	Весы лабораторные WAS 220/C2	15	1	53200,00	665,00
3	Вытяжной шкаф (вентилятор осевого типа общего назначения)	15	1	18600,00	232,5
4	Газоанализатор ПГА-ВПМ	20	1	22300	371,7
5	Спектрофотометр СФ-26	20	1	68023	1133,72
	ИТОГО:	2812,92

Затраты на основную заработную плату руководителя рассчитываются по формуле (9)

, (9)

где ЗС_рук - часовая оплата доцента, руб.;

ЗС_рук = 235 руб.;

В_рук - время руководителя, затраченное на работу с дипломником;

В_рук = 60 час.

ЗП_рук=60•235= 14100 руб.

Итого затраты на основную заработную плату:

ЗП_осн = ЗП_рук + ЗП_исп = 14100 + 4800= 18900 руб.

Отчисления на страховые взносы в размере 34% от основной заработной платы составляют:

ЗП_соц=14100 • 0,34= 4794 руб.

Накладные расходы, включающие затраты на содержание учебно-вспомогательного и административно-управленческого персонала, а также на отопление, освещение, на содержание в чистоте и ремонт зданий, канцелярские и прочие хозяйственные расходы, составляют 70% от суммы затрат по предыдущим статьям.

Смета затрат на проведение научно-исследовательской работы приведена в таблице 13.

Ц_нир =46586,02· (1 + 20/100) =83855 руб.

Анализ сметы затрат на проведение работы показывает, что наибольшую долю затрат составляют затраты на стеклянную посуду, основную заработную плату и накладные расходы.

Таблица 13 - Смета затрат на проведение научно-исследовательской работы

№	Наименование статей затрат	Сумма затрат, руб.	Удельный вес статьи в общей сумме затрат, %
1	Сырье, материалы, реактивы	244,2	0,52
2	Электроэнергия	9,23	0,02
3	Водопотребление	38	0,08
4	Основная з/плата исследователя Ст. Преподавателя с уч. степенью Итого	4800,00 14100,00 18900,00	40,57
5	Страховые взносы	4794	10,29
6	Стеклянная посуда	605,19	1,3
7	Амортизационные отчисления	2812,92	6,04
Итого прямых затрат	27403,54	58,82
Накладные расходы (70% от прямых затрат)	19182,48	41,17
ИТОГО	46586,02	100

Заключение

В ходе представленной работы на высокие концентрации был произведен поиск и сделан анализ существующих средств индикации оксидов азота в газовоздушной среде, в связи с отсутствием средств контроля за оксидами азота. Так же для определения окислов азота в газовоздушной среде были предложены и частично экспериментально доказаны, оптимальный и доступный для использования спектрофотометрический и линейноколористический метод определения окислов азота в воздушной среде.

Дальнейшие исследования будут продолжены, а разработанная нами методика исследования процесса определения окислов азота в воздухе будет использоваться студентами на кафедре ИЗОС для дальнейших исследований.

Список использованных источников

1) Kobayashi S., Matsumoto A., Yamada T., Chem. Soc Japan, Ind. Chem. Soc, 61, 625 (1958); Хим. 1959, реф. №827958.

2) Мохов Л.А., Халтурин В.С., Лабор. Дело, №226 (1958).

3) Kobayashi J., Kitagama T., цит. по Hobbs A.P., anal. Chem., 30, 788 (1959).

4) Kinosian J.R., Habbard B.R., Am. Ind. Hyg. Assoc J., 19, 453 (1958).

5) Мохов Л.А., Удалов Ю.Ф., Халтурин В.С., ЖПХ 32, 452 (1959).

6) Парфенова К.Г., Сборник работ и авторефератов по вопросам гигиены труда и профпаталогии в горнорудной, химической и машиностроительной промышленности, Харьков, 1958.

7) Ratzka E., Nowak G., нат ГДР 31567, 5/IX 1964.

8) Hesse B., нат ГДР 43296, 15/IX 1965.

9) Новый справочник химика и технолога. Радиактивные вещества. Вредные вещества. Гигиенические нормативы. СПб: АНОНПО Профессионал, 2005 г., с. 1142.

10) Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства тушения. Спр.изд. в 2 книгах. Баратов А.Н., Корольченко А.Я., М., Химия, 1990 - 384 с.

11) Сборник общих правил и инструкций по технике безопасности при работе в химической лаборатории. - Л.: ЛТИ им Ленсовета, 1991 - 336 с.

12) ГОСТ 00000-00. CCБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Класификация. М.: Изд-во стандартов, 1974.

13) СНиП 23-05-95 Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1996.

14) НПБ 105-03 Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.

15) Правила устройств электроустановок. ПУЭ. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

16) ГОСТ 12.4.021 - 75 CCБТ. Системы вентиляционные. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1975.

17) Техническое описание и конструкция по эксплуатации СФ - 26. ЛОМО им. Ленина, 1981.

18) Кожухов С.Г., Калистратов Ю.К.: Комплекс многоцелевого контроля КМК-1, Пушкин, 1998.

19) Перегуд Е.А., М.С. Быховская, Е.В Гернет, Быстрые методы опр. вред. вещ. в воздухе, «Химия», 1970.

20) Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия, 1981.

21) Ахметов Н.С. Общая неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1981.

22) Sentek A., Prace Centr. Inst. Ochrony Pracy, 15, 1966.

23) Thomas M.D., McCleod I.A, Roblins R.C., Anal. chem., 28, 1956.

24) Adley F.E., Skillern E.P., Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 19, 1958.

25) Gummings W.G., Redflarn M.W. Inst. Fuel, 30, 1967.

26) Смирнов Н.Ф. Исследование влияния: Дипломная работа. - СПбГТИ(ТУ), рукопись, 2009. - 0110 с.

27) Е.А. Перегуд, Д.О. Горелик, Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы. Л.: Химия, 1981.

Размещено на Allbest.ru