Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2453833

(19)

RU

(11)

2453833

(13)

C2

(51) МПК G01N27/06 (2006.01)

G01R27/26 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2010118388/28, 06.05.2010

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

06.05.2010

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 06.05.2010

(43) Дата публикации заявки: 27.11.2011

(45) Опубликовано: 20.06.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2359036 C1. 20.06.2009. RU 2334223 C1, 20.09.2008. RU 2234102 C2, 10.08.2004. SU 1837217 A1, 30.08.1993.

Адрес для переписки:

426069, г.Ижевск, ул. Студенческая, 7, ФГБОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет"

(72) Автор(ы):

Подкин Юрий Германович (RU),

Мишков Михаил Юрьевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ижевский государственный технический университет" (RU)

(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРЕСНОВОДНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано при экологическом мониторинге, в системах приготовления водных растворов и в технологических процессах с их участием. Способ обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды включает измерение температуры, классификацию загрязнений по группам на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему. Измеряют составляющие , x комплексной диэлектрической проницаемости среды, судят о факте загрязнения пресноводной среды по отклонениям приведенных к температуре Т 0 значений при фон от фоновых , фон , проводят классификацию загрязнения пресноводной среды по следующим соотношениям: > фон - электролиты, при фон - неполярные и слабополярные органические соединения, при фон - полярные органические соединения, частотная дисперсия ', - суспензии, пленки, коллоиды. Снимают типовые температурные диэлектрические характеристики контролируемой пресноводной среды '(T) и (T), усреднением приведенных к температуре Т 0 значений е'(Т 0 ) и (Т 0 ) за превышающий единичное измерение t 0 промежуток времени t определяют фоновые характеристики , фон . В качестве температуры Т 0 используют фоновые характеристики , фон . В качестве температуры Т 0 используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени t определяют как (10 4 10 8 )· t 0 . Для реализации способа согласно изобретению предложено устройство для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды. Изобретение направлено на повышение информативности обнаружения загрязнений пресноводной среды за счет классификации видов органических веществ, а также на повышение надежности и экономичности соответствующего устройства за счет замены ряда датчиков контролируемых характеристик пресноводной среды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 пр.

Изобретения относятся к методам контроля загрязнения окружающей среды, предназначены для обнаружения и классификации типа загрязнения пресноводной среды. Могут быть использованы при экологическом мониторинге, в системах приготовления водных растворов и в технологических процессах с их участием.

Известен способ интегральной экспресс-оценки загрязнения окружающей среды [Патент РФ 2359036, 2009], включающий инкубацию водорастворимых поллютантов с биологической тест-системой и количественную их оценку по вызываемому ими 50%-ному снижению величины максимальной люминолзависимой хемилюминесценции по сравнению с контролем, причем в качестве тест-системы используют комплексный полиферментный препарат из корня хрена, обладающий оксидазно-пероксидазной активностью, в комбинации с сульфгидрильным реагентом, который берут в конечной концентрации не менее 0,1 мкг/мл и не более 100 мкг/мл.

Для реализации этого способа требуется квалифицированный персонал, а применение специфичных расходных материалов затрудняет непрерывный одновременный контроль водного объекта в нескольких точках.

Известен способ определения техногенного загрязнения почв и донных осадков металлами [Патент РФ 2110068, 2009], включающий измерение магнитной восприимчивости почв и донных осадков на фоновом и исследуемом участках, оценку степени загрязнения по соотношениям

- умеренное загрязнение,

- сильное загрязнение,

где изм - магнитная восприимчивость на исследуемом участке; фон - магнитная восприимчивость на фоновом участке. Однако этот способ способен выявлять только ферромагнитные вещества и нечувствителен к диа- и парамагнитным материалам, в том числе органическим веществам, солям, кислотам, щелочам.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство [Патент СССР 1837217, 1990] и соответствующий ему способ контроля загрязнений пресноводной среды, включающий измерение температуры, рН; окислительно-восстановительного потенциала Redox; электропроводности; среднего уровня радиоактивности; содержания ионов (Ni, Cr, Cu и др.), кислорода О 2 , классификацию загрязнений по трем группам («тяжелые металлы», «соли, кислоты, щелочи», «органика») на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему.

Однако такой способ не позволяет определять виды органических веществ, а соответствующее устройство требует регулярной (1-10 раз в месяц) замены чувствительных элементов датчиков, что снижает эксплуатационную надежность, экономичность и затрудняет непрерывный контроль за состоянием пресноводной среды.

Задачей изобретений является повышение информативности обнаружения загрязнений пресноводной среды за счет классификации видов органических веществ, а также повышение надежности и экономичности соответствующего устройства за счет замены ряда датчиков контролируемых характеристик пресноводной среды.

Поставленная задача достигается тем, что в способе обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, включающем измерение температуры, классификацию загрязнений по группам на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему, независимо измеряют составляющие , x комплексной диэлектрической проницаемости среды, судят о факте загрязнения пресноводной среды по отклонениям приведенных к температуре Т 0 значений '(Т 0 ) и (Т 0 ) от фоновых , фон , проводят классификацию загрязнения пресноводной среды по следующим соотношениям:

> фон - электролиты,

при фон - неполярные и слабополярные органические соединения,

при фон - полярные органические соединения,

частотная дисперсия ', - суспензии, пленки, коллоиды.

Другое отличие состоит в том, что снимают типовые температурные диэлектрические характеристики контролируемой пресноводной среды '(T) и (T), усреднением приведенных к температуре Т 0 значений '(Т 0 ) и (Т 0 ) за превышающий единичное измерение t 0 промежуток времени t определяют фоновые характеристики , фон .

Третье отличие заключается в том, что в качестве температуры Т 0 используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени t определяют как (10 4 10 8 )· t 0 .

Для реализации способа в устройство для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, содержащее датчики температуры t°С и удельной проводимости , блок отбора проб и передатчик, дополнительно введены датчик вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ', блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости , фон, блок анализа, причем выходы датчиков t°С, , ', , фон подключены ко входам блока анализа, первый выход которого подключен ко входу передатчика, а второй выход - ко входу блока отбора проб.

Способ обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды и устройство для его осуществления поясняются фигурами 1-5.

На фигуре 1 приведена функциональная схема устройства для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды. Она содержит датчики: вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ' 1, удельной проводимости 2, блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости 3, фон 4, датчик температуры t°С 5, подключенные ко входам блока анализа 6, первый выход которого подключен ко входу передатчика 7, а второй выход - ко входу блока отбора проб 8.

На фигурах 2 4 приведены концентрационные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости ', для водных растворов соли NaCl, этилового спирта С 2 Н 5 ОН, аминоуксусной кислоты (глицина) C 2 H 5 NO 2 .

На фигуре 5 приведены частотные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости для водных эмульсий трансформаторного масла.

Воздействие загрязнения на диэлектрическую проницаемость ' и удельную проводимость природной пресноводной среды может быть отнесено к одной из четырех групп:

1. Электролиты (соли, кислоты, основания) изменяют концентрацию ионов в воде, что на частотах ниже 100 МГц приводит к возрастанию удельной проводимости среды.

2. Неполярные и слабополярные растворители снижают диэлектрическую проницаемость ', мало влияя на удельную проводимость вплоть до оптических частот.

3. Полярные диэлектрики увеличивают диэлектрическую проницаемость. При этом изменения удельной проводимости и диэлектрической проницаемости могут быть разнородными уже на звуковых частотах, что позволяет по данным низкочастотной диэлектрической спектроскопии определять класс загрязнения.

4. Нерастворимые и слаборастворимые вещества приводят в основном к образованию пленок и эмульсий, имеющих четко выраженные дисперсионные области частотных диэлектрических характеристик.

Классификацию загрязнения проводят сравнением приведенных диэлектрических характеристик контролируемой пресноводной среды с фоновыми, непрерывно флуктуирующими в некоторых диапазонах фон , по естественным причинам (изменение климатических условий, процессы в живой природе) по следующим соотношениям:

> фон - электролиты (соли),

при фон - неполярные и слабополярные загрязнения (щелочи, органические вещества (спирты)),

- полярные загрязнения (кислоты, органические вещества (аминокислоты), соединения водорода),

дисперсия ', , (f) фон (f) - нерастворимые и слаборастворимые загрязнения (нефтепродукты, тяжелые металлы) (f - рабочая частота).

Для приведения значений ', к температуре Т 0 предварительно снимают типовые температурные зависимости диэлектрических характеристик контролируемого объекта, и усреднением приведенных к температуре Т 0 значений '(Т 0 ) и (Т 0 ) за превышающий единичное измерение t 0 промежуток времени t определяют фоновые характеристики , фон.

Кроме того, при организации круглогодичного непрерывного экологического мониторинга в качестве температуры Т 0 используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени t определяют как (10 4 10 8 )· t 0 .

Устройство работает следующим образом: при появлении в пресноводной среде загрязняющего вещества диэлектрические характеристики последней вызывают изменения показаний датчиков ' 1 и 2. Используя показания датчика температуры t°С 5, блок анализа 6 приводит значения показаний датчиков 1 и 2 к температуре Т 0 , и сравнивает их с фоновыми значениями, получаемыми с блоков 3, фон 4. Затем информация о состоянии пресноводной среды с блока анализа 6 поступает на передатчик 7, который отправляет ее на единую приемную систему. В случае обнаружения загрязнения по управляющему сигналу с блока анализа 6 включается блок отбора проб 8.

Ниже приведены примеры применения способа и реализующего его устройства в лабораторных условиях.

Пример 1. В течение месяца измеряли типовые температурные диэлектрические характеристики водных образцов и определили области фоновых значений ; фон =(0,9 1,1)·10 -4 См/см при температуре Т 0 =23°С. В качестве датчиков , ', , фон использовался разработанный авторами измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, работающий на частоте 8 МГц [Патент РФ 2314544]. Затем повторно отбирали пробу, вносили загрязняющие вещества: соль NaCl, этиловый спирт С 2 Н 5 ОН, аминоуксусную кислоту (глицин) C 2 H 5 NO 2 и определяли диэлектрические характеристики, приведенные к температуре Т 0 . На фиг.2-4 приведены концентрационные зависимости составляющих диэлектрической проницаемости для водных растворов указанных веществ при температуре Т 0 . Значения ', вне областей , фон позволяют судить о введении загрязняющих веществ трех типов (электролиты, неполярные и полярные вещества). По графику, фиг.2, возможно зафиксировать превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) для хлоридов.

Пример 2. Снимали частотные зависимости вещественной составляющей диэлектрической проницаемости '(f) дистиллированной воды в диапазоне частот f=10 6 10 7 Гц при температуре Т 0 =23°С до и после внесения в образец загрязняющего вещества - трансформаторного масла, фигура 5. В качестве датчиков , ' использовался разработанный авторами широкополосный характериограф составляющих адмитанса. Возникновение коллоидной системы «вода-масло» приводит к появлению области частотной дисперсии '.

С помощью предлагаемого способа и устройства повышается информативность обнаружения и классификации загрязнений пресноводной среды за счет выделения в общем классе органических веществ подклассов спиртов, аминокислот и нефтепродуктов и классификации загрязнений по характеру воздействия на составляющие ', , а также в повышении эксплуатационной надежности и экономичности устройства за счет замены дорогостоящих, требующих частой замены (1-10 раз в месяц) селективных датчиков ионов Ni, Cr, Cu и др., кислорода О 2 , радиоактивности, рН, Redox на недорогие, более долговечные (замена 1-2 раза в 10 лет при условии периодической очистки) емкостные преобразователи составляющих комплексной диэлектрической проницаемости ', .

Формула изобретения

1. Способ обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, включающий измерение температуры, классификацию загрязнений по группам на основе анализа комбинации измеренных показателей, отбор проб для дальнейшего лабораторного анализа, передачу информации об объекте контроля, полученной с нескольких точек на единую приемную систему, отличающийся тем, что независимо измеряют составляющие , x комплексной диэлектрической проницаемости среды, судят о факте загрязнения пресноводной среды по отклонениям приведенных к температуре Т 0 значений '(Т 0 ) и (Т 0 ) от фоновых , фон , проводят классификацию загрязнения пресноводной среды по следующим соотношениям:

> фон - электролиты,

при фон - неполярные и слабополярные органические соединения,

при фон - полярные органические соединения, частотная дисперсия ', - суспензии, пленки, коллоиды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что снимают типовые температурные диэлектрические характеристики контролируемой пресноводной среды '(T) и (T), усреднением приведенных к температуре Т 0 значений '(T 0 ) и (T 0 ) за превышающий единичное измерение t 0 промежуток времени f определяют фоновые характеристики , фон .

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве температуры Т 0 используют среднегодовую температуру контролируемой пресноводной среды, а промежуток времени t определяют как (10 4 10 8 )· t 0 .

4. Устройство для обнаружения и классификации загрязнения пресноводной среды, содержащее датчики температуры t°C и удельной проводимости , блок отбора проб и передатчик, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчик вещественной составляющей диэлектрической проницаемости ', блоки задания фоновых значений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости , фон , блок анализа, причем выходы датчиков t°C, , ', , фон подключены ко входам блока анализа, первый выход которого подключен ко входу передатчика, а второй выход - ко входу блока отбора проб.

РИСУНКИ