Традиционно
также для химической практики использование
МВ-излучения для сушки и дегидратации
проб. Особенности этих процессов
состоят в том, что обработке
МВ-полем подвергаются диэлектрики
- высокодисперсные материалы (порошки),
состоящие, как правило, из частиц небольших
размеров (от долей микрометра до нескольких
миллиметров). При прохождении МВ-излучения
через весь объем отдельных частиц таких
порошков его интенсивность ослабевает
незначительно. Поэтому разогрев каждой
частицы происходит сразу по всему объему.
К тому же во многих случаях основной материал,
подвергаемый сушке, сам по себе МВ-излучение
практически не поглощает, так что разогрев
порошка и удаление из него воды связаны
только со способностью удаляемых молекул
воды поглощать МВ-излучение и в результате
разогреваться. Как только в порошке влаги
не оказывается, его разогрев прекращается.
Эти
особенности приводят не только к
резкому уменьшению длительности сушки
под действием МВ-излучения, но и
к некоторым дополнительным эффектам,
которые наблюдаются, например, на кристаллогидратах.
Оказывается,
что кристаллогидраты по их отношению
к МВ-полю можно разделить на три
группы. К первой группе принадлежат
кристаллогидраты, которые поглощают
МВ-излучение так сильно, что в них
при наложении МВ-поля немедленно вспыхивает
разряд и происходит глубокое разложение
образцов (кристаллогидраты многих нитратов,
органические кристаллогидраты). Ко второй
группе можно отнести кристаллогидраты,
которые из-за особенностей внутреннего
строения МВ-излучение вообще не поглощают
(например, кристаллогидраты некоторых
фосфатов и сульфатов). Кристаллогидраты
как первой, так и второй группы для МВ-обработки
непригодны. И наконец, третью группу составляют
кристаллогидраты, которые под действием
МВ-излучения постепенно (за несколько
десятков секунд или минут в зависимости
от мощности излучения) разогреваются,
что сопровождается удалением воды из
их объема. К числу таких кристаллогидратов
принадлежат, например, гипс CaSO4 " 2H2O,
ВаСl2 " 2Н2О, тетраборат натрия Na2B4O7 "
5Н2O, кристаллогидраты некоторых фторидов
переходных металлов, b-дикетонатные комплексы
металлов. В этих случаях с помощью МВ-излучения
можно, во-первых, быстро удалить из кристаллогидратов
адсорбционную, слабо связанную воду (и
получить, например, тетраборат натрия
точного состава Na2B4O7 " 4,75Н2O), а также
осуществить полное обезвоживание веществ.
Оказалось,
что в результате МВ-обработки, не
связанной с нагреванием образца,
термическая устойчивость кристалликов
гипса заметно возрастает. Другие
кристаллогидраты при обработке МВ-полем
малой мощности ведут себя иначе. Так,
если предварительно таким способом обработать
некоторые кристаллогидраты фторидов
переходных металлов, то при термическом
нагреве до 500С из этих материалов удается
удалить влагу более полно, чем в том случае,
когда термической дегидратации подвергали
образцы, которые предварительно МВ-полем
не облучали.
Перспективно
использование МВ-излучения для
регенерации различных осушителей
и сорбентов, например активированного
угля и цеолитов. При этом МВ-обработка
может приводить к увеличению сорбционной
емкости таких материалов и повышению
их эффективности как сорбентов.
Глава
II. Системы позволяющие проводить пробоподготовку.
Можно
рассмотреть подготовку проб на примере
конкретной микроволновой системы. Например,
система Multiwave 3000 – это продвинутая модульная
система, предназначенная для подготовки
образцов к таким процессам, как разложение,
экстракция и выпаривание. Микроволновая
печь мощностью 1400 Вт с двумя магнетронами
и прецизионной технологией контроля
обеспечивают быстрое и равномерное нагревание,
безопасное протекание реакций и увеличение
срока службы всех компонентов. Проверенная
временем система обеспечения безопасности
включает активные и пассивные устройства,
сводящие риск неуправляемой реакции
к минимуму. Принцип работы: свободные
ионы улавливаются слабощелочными или
кислотно-поглотительными растворами
для последующего прямого определения
методом ионной хроматографии, вольтамперометрии
или атомной спектроскопии.
Примеры
использования системы Multiwave 3000:
-
озоление образцов для цементной
промышленности. В последнее время
вспомогательное топливо приобретает
все большее значение для цементной
промышленности по причине своей
низкой цены и соответствующего
вклада в выгодное экономически и экологически
уничтожение отходов, например, использованных
покрышек или пластмассового мусора. Высокая
температура во вращающихся цементных
печах – самое лучшее условие для сжигания
пластмассовых отходов. Использованные
автомобильные покрышки применяются в
качестве вспомогательного топлива в
течение долгого времени, потому что их
состав, реакционные характеристики и
влияние на конечный продукт хорошо известны.
Анализ пластмассовых отходов гораздо
более затруднен из-за большого количества
различных материалов, например, пигментов
или добавок, используемых для бутылок
и пленок. Цемент очень чувствителен к
цинку и следам других металлов, но в наибольшей
степени – к хлору. Поэтому перед сжиганием
необходимо отделить ПВХ, а материалы
для упаковки пищи должны быть промыты,
чтобы избежать попадания хлора с остатками
хлористого натрия.
По
данной причине необходимо полное озоление
и анализ дробленых отходов. Для
этого требуются высокая степень
разложения и точное управление реакцией
вследствие неоднородного состава мусора.
Традиционные методы подготовки образцов
в цементных лабораториях – плавка в тиглях
и выщелачивание в соляной кислоте на
нагревательной плите. Плавленые образцы
анализируются с помощью рентгеновской
флуоресценции, выщелоченные растворы
– с помощью атомно-абсорбционная спектрофотометрии.
В
настоящее время усложненные
системы жидкостного разложения
все в большей степени заменяют
методики с расплавлением, чтобы
избежать загрязнений от твердых
реактивов, для которых недоступна
такая же степень чистоты, как для кислот.
В большинстве случаев для жидкостного
разложения необходимо меньше ручной
работы, оно быстрее, чем плавка, и поэтому
более эффективно.
-
озоление с помощью микроволнового
облучения для анализа пищевых
продуктов. Пищевые продукты промышленного
производства и сырье для них, продукты
сельского хозяйства, относятся к наиболее
изученным и постоянно проверяемым субстанциям
в повседневной жизни. Так как качество
пищи влияет на здоровье людей, химический
анализ требуется законами большинства
стран. Анализ на содержание микроэлементов,
например, токсичных тяжелых металлов,
таких как свинец, кадмий или ртуть, является
повседневной задачей в промышленных
и государственных лабораториях по проверке
пищевых продуктов. При отслеживании и
контроле качества пищевых продуктов
вся цепочка анализов должна удовлетворять
высоким требованиям к точности анализа.
Часто необходим постоянно повторяющийся
анализ больших партий образцов. Основную
проблему представляет собой озоление
образцов: необходимо мощное оборудование,
с высокой производительностью обработки
образцов и надежными результатами анализа,
чтобы исключить источники систематических
ошибок. Современные системы озоления
с помощью микроволнового облучения обеспечивают
скорость выполнения операций, простоту
обращения, уменьшенный расход реактивов
высокой чистоты и минимальное загрязнение
и потерю анализируемых веществ.
-
УФ-озоление жидких проб под
воздействием микроволнового облучения.
УФ-озоление под воздействием микроволнового
облучения в закрытых сосудах под давлением
с помощью погружной, безэлектродной кадмиевой
газоразрядной лампы – новый выгодный
подход к подготовке проб. Фотохимический
процесс УФ-окисления представляет собой
перспективный вариант разложения растворенного
органического углерода в жидких пробах,
например, в грязной воде, в напитках и
в масле. УФ-облучение растворов, содержащих
небольшие количества Н2О2, приводит к
образованию нескольких высокоактивных
веществ-окислителей, например, синглетного
кислорода, супероксидных ионов, гидроксильных
или галогенных радикалов, которые ускоряют
разложение органических веществ. Для
проведения УФ-озоления под воздействием
микроволнового облучения кадмиевые газоразрядной
лампы погружаются в раствор пробы внутри
каждого из реакционных сосудов. Микроволновое
облучение используется для передачи
энергии газоразрядным лампам. Интенсивность
УФ-облучения определяется энергией микроволнового
облучения, поглощаемого встроенной антенной
лампы. Дальнейшего улучшения можно добиться
с помощью дополнительной подачи кислорода
под давлением в сосуд для озоления. Из
кислорода под воздействием УФ-облучения
образуется озон, которым поддерживается
окисление органических молекул радикалами
ОН. В ходе таких исследований озоление
выполнялось с введенными УФ-лампами,
а также при различных условиях по давлению.
Эффективность озоления изучалась с помощью
измерения растворенного органического
углерода.
-
выпаривание. Перед разложением
водные образцы можно уменьшить
в объеме, чтобы увеличить концентрацию
определяемых элементы. Кроме этого, после
разложения может возникнуть необходимость
выпарить нежелательные реагенты или
понизить кислотность раствора.
Заключение.
Эффективность
пробоподготовки с помощью микроволновых
систем для растительных объектов,
пищевых продуктов, косметики и других
объектов биологического происхождения
неоспорима. Этот способ подготовки проб
имеет ряд принципиальных преимуществ
(эффективность, высокая производительность,
возможность контроля за ходом процесса,
безопасность работы), что и является причиной
его широкого внедрения в мировую практику
аналитической химии.
Используемые
источники.
- Кингстон
Г. М. Пробоподготовка в микроволновых
печах. Теория и практика. -1991. – 337 с.
- http://www.himkontrol.ru