Патент на изобретение №2287144

(54) ПАССИВНЫЙ ПРОБООТБОРНИК

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано при экологическом мониторинге природных и сточных вод для оценки качества окружающей среды. Пассивный пробоотборник содержит контейнер с открытой верхней частью, крышку с отверстием, съемно соединенную с открытой частью контейнера, и пробоотборный узел. Пробоотборный узел представляет собой сорбционный элемент, заполненный обезвоженным цеолитом. Нижняя часть контейнера выполнена открытой и соединена со съемной крышкой с отверстием. Отверстия в верхней и нижней крышках перекрыты диафрагмами, в виде полимерной пленки, обладающей проницаемостью к парам воды, для дозирования паров воды во внутренний объем пробоотборника. Изобретение обеспечивает получение осредненных проб питьевой, поверхностной, подземной и сточной воды для последующего определения в лабораторных условиях средней за время экспозиции объемной активности оксида трития. 1 ил.

Изобретение относится к технике пробоотбора и позволяет по специальному алгоритму получать осредненные пробы питьевой, поверхностной, подземной и сточной воды для последующего определения в них средней за время экспонирования объемной активности трития в форме соединений НТО, Т₂О и DTO с целью оценки величины ожидаемой эффективной дозы облучения, обусловленной пероральным поступлением трития. Пробоотборник может быть также использован при экологическом мониторинге указанных выше типов природных и сточных вод для оценки качества окружающей среды.

Известен аналог – пробоотборник жидкости [1], включающий в себя емкость, образованную трубчатым элементом и двумя резьбовыми крышками. Нижняя крышка выполнена глухой и образует дно сосуда, а верхняя – имеет отверстие с шаровым клапаном, который приводится в движение специальным приводом.

Недостатками данной конструкции являются:

– наличие привода шарового клапана, усложняющее конструкцию и требующее дополнительных исполнительных устройств для автоматизации пробоотбора;

– недостаточная надежность шарового клапана, неплотное прилегание которого к седлу вследствие засорения или (и) коррозии может привести к самопроизвольным протечкам жидкости в полость пробоотборника, что нарушит регламент отбора проб.

В качестве прототипа принято устройство для отбора проб окружающей жидкости [2], содержащее:

– контейнер с открытой верхней частью для отбора образцов жидкости;

– крышку, съемно соединенную с открытой частью контейнера и снабженную сквозным отверстием;

– диск, соединенный с крышкой и перемещающийся между двумя положениями, в которых отверстие в крышке или закрыто, или частично открыто. Перемещение диска осуществляется механизмом с защелкой, фиксирующей диск в том или ином положении.

Недостатками описанного устройства являются:

1. Наличие механизма перемещения и фиксации диска.

Наличие движущихся частей усложняет конструкцию и снижает надежность ее работы в особенности при отборе проб химически агрессивных или (и) нагретых жидкостей, например проб промышленных сточных вод.

Наличие движущихся частей может также привести к недостаточно надежной герметизации контейнера по окончании пробоотбора, вследствие чего может произойти переполнение контейнера и потеря информативной части пробы.

2. Обязательным условием отбора проб при помощи рассматриваемой конструкции является полное погружение пробоотборника в исследуемую жидкость, что в ряде случаев исключает возможность его применения, например, в канализационных системах с относительно невысокими объемными расходами сточных вод.

3. Отсутствие защиты отверстия, через которое осуществляется отбор пробы, от механических загрязнений (например, остатков водной растительности и т.п.). Названный недостаток может препятствовать применению рассматриваемого устройства для пробоотбора на поверхностных водоемах – реках и озерах.

Перечисленные недостатки усложняют изготовление рассматриваемого устройства, увеличивают его стоимость, снижают надежность при эксплуатации и ограничивают область его применения.

Техническая задача заявляемого изобретения – создание универсального пробоотборника, позволяющего получать осредненные пробы питьевой, поверхностной (реки, озера, ручьи и т.п.), подземной (грунтовой и артезианской) и сточной воды для последующего определения в лабораторных условиях средней за время экспозиции объемной активности оксида трития (НТО, Т₂О, DTO). При этом пробоотборное устройство должно обеспечить возможность непрерывного процесса отбора проб в течение задаваемого промежутка времени без участия человека, должно быть конструктивно простым и надежным, относительно недорогим в изготовлении и обслуживании.

Таким образом, техническим результатом применения заявляемого изобретения является:

1. Универсальность, – возможность получения средней пробы при полном, неполном погружении пробоотборника в исследуемую жидкость, а также без непосредственного контакта с исследуемой водой, т.е. в надводном положении при полностью автономном и непрерывном отборе пробы в течение заданного промежутка времени.

2. Возможность работы:

– в воде, содержащей механические загрязнения, – взвешенные нерастворимые вещества, остатки водной растительности и иные включения;

– в химически агрессивных или (и) нагретых жидкостях.

3. Повышение надежности конструкции, упрощение изготовления и эксплуатации.

4. Снижение затрат на изготовление.

Технический результат достигается совокупностью признаков пассивного пробоотборника, содержащего контейнер с открытой верхней частью, крышку с отверстием, съемно соединенную с открытой частью контейнера, и пробоотборный узел, представляющий собой сорбционный элемент, заполненный обезвоженным цеолитом, при этом нижняя часть контейнера выполнена открытой и соединена со съемной крышкой с отверстием, а отверстия в нижней и верхней крышках перекрыты диафрагмами в виде полимерной пленки, обладающей проницаемостью по отношению к парам воды, для дозирования паров воды во внутренний объем пробоотборника.

Выполнение пробоотборного узла в виде сорбционного элемента, заполненного обезвоженным цеолитом, обеспечивает получение осредненной пробы вследствие самопроизвольной диффузии паров воды в пробоотборный узел, что делает возможным:

– экспонирование при неполном погружении пробоотборника в исследуемую жидкость, а также в надводном положении (без непосредственного контакта с исследуемой водой), поскольку пробоотборник отбирает пары воды, а не воду в жидком состоянии;

– экспонирование в воде, содержащей механические загрязнения, – взвешенные нерастворимые вещества, остатки водной растительности и иные механические включения, поскольку механические загрязнения не могут препятствовать процессу диффузии молекул водяного пара, имеющих существенно меньшие размеры, чем механическая взвесь;

Отбор проб, основанный на процессе диффузии, повышает надежность конструкции, поскольку пробоотборный узел не содержит движущихся частей.

Выполнение нижней части контейнера открытой со съемной крышкой, имеющей отверстие, и перекрытие отверстий верхней и нижней крышек полимерными пленками обеспечивает возможность варьирования времени экспозиции в достаточно широких пределах.

Применение диафрагм из полимерных пленок обеспечивает возможность работы пробоотборника в химически агрессивных или (и) нагретых жидкостях.

Заявляемое техническое решение пояснено чертежом, где 1 – корпус пробоотборника, 2 – сорбционный элемент, 3 – диафрагма с герметизирующими прокладками (диафрагма в нижней крышке не показана), 4 – сорбционный элемент с цеолитом, 5 – крышка с отверстием.

Пассивный пробоотборник (ПП) работает следующим образом. При погружении в воду или размещении над водной поверхностью пары воды, присутствующие в контролируемой среде, диффундируют вследствие разности плотностей паров внутри и снаружи ПП через диафрагму из полимерной пленки 3 внутрь корпуса пробоотборника 1 и сорбируются цеолитом 4, помещенным в сорбционный элемент. При этом через непродолжительное время после погружения ПП в контролируемую среду скорость поступления паров воды в пробоотборник в результате диффузии через диафрагму из полимерной пленки станет приблизительно равна скорости поглощения паров сорбирующим материалом – цеолитом – в сорбционном элементе. Следует еще раз подчеркнуть, что материал диафрагмы не пропускает воду, однако обладает некоторой проницаемостью по отношению к парам воды. Вследствие этого диафрагму следует рассматривать в качестве элемента, дозирующего поступление паров воды во внутренний объем пробоотборника.

При описанном режиме поглощения, который называется стационарным, содержание паров воды в газовой фазе над цеолитом во внутреннем объеме пробоотборника в течение всего заданного времени экспозиции будет равно нулю или, в крайнем случае, на 2-3 порядка ниже содержания паров воды в контролируемой среде. При этом, учитывая, что скорость диффузии молекулы тритиевой воды (НТО, Т₂О или DTO) пропорциональна скорости диффузии молекулы протиевой воды (Н₂О), величины этих скоростей близки, а соотношение между тритиевой и протиевой водой на единицу активности трития практически не меняется, следует считать, что это соотношение сохранится и во влаге, поглощенной пробоотборником. Таким образом, объемная активность трития в воде, извлеченной из цеолита, будет равна объемной активности в среде, контролируемой при помощи пробоотборника.

При одновременном изменении температуры контролируемой среды и объемной активности трития в ней, – т.е. в нестационарных условиях диффузии, – объемная активность во влаге, сорбируемой пробоотборником, не будет соответствовать объемной активности в контролируемой среде в начальный период изменения температуры контролируемой среды и объемной активности в ней. Оценки погрешностей определения активности в контролируемой среде при помощи заявляемого пробоотборника, связанных с влиянием нестационарных процессов диффузии, показывают, что при длительности нестационарных процессов, составляющей 25% от общего времени экспонирования, величина погрешности определения объемной активности составит не более 15% (Р=0,95), что является приемлемым для целей контроля содержания трития в водных объектах.

Таким образом, для определения средней за время экспозиции объемной активности трития в контролируемой среде достаточно провести экспонирование ПП в контролируемой среде и измерить объемную активность в воде, извлеченной из цеолита, экспонировавшегося в пробоотборнике.

Допустимое максимальное время экспозиции ПП определяется величиной допустимого завлажнения цеолита и зависит от величины плотности паров воды в исследуемой среде в месте установки пробоотборника, типа применяемой полимерной пленки и площади контакта со средой (размера отверстий в крышках ПП). Допустимое максимальное время экспозиции рассчитывают как

где m_z – масса цеолита в сорбционном элементе пробоотборника, г;

0,15 m_z – величина допускаемого максимального завлажнения цеолита, обеспечивающая стационарную диффузию паров воды, г;

– среднее значение плотности насыщенного водяного пара в контролируемой водной среде за период экспонирования пробоотборника, г/м³;

S – площадь отверстий в крышках пробоотборника, закрытых диафрагмами из полимерной пленки, см²;

– значение проницаемости применяемой полимерной пленки при температуре экспонирования, г/(час×см²×(г/м³)).

Допустимое минимальное время экспозиции ПП определяется величиной минимальной массы воды, которая может быть десорбирована из цеолита по окончании экспозиции, а также требуемой величиной минимальной определяемой активности трития в десорбированной воде. Минимальное время экспозиции зависит от тех же параметров исследуемой водной среды и конструкции пробоотборника, что и максимальное. Допустимое минимальное время экспозиции ПП вычисляют по соотношению

где m_min– минимальная масса воды, которая может быть десорбирована из цеолита для последующего определения объемной активности трития в ней, г; остальные обозначения те же, что и в соотношении (1).

Было изготовлено 2 опытных образца пробоотборника и проведены лабораторные и натурные эксперименты с 5 типами полимерных пленок. При экспериментах пробоотборники экспонировали в надводном, частично и полностью погруженном в воду положениях.

В лабораторных экспериментах моделировали как стационарный процесс диффузии (температура и объемная активность трития постоянны), так и нестационарные процессы, при которых порознь и вместе изменяли температуру контролируемой среды и объемную активность трития в ней.

В натурных экспериментах контролируемыми средами были промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды, характеризующиеся изменяющимися в течение экспозиции температурой и объемной активностью трития, а также присутствием значительного количества взвешенных частиц.

В результате выполненных экспериментов показано следующее.

1. Значения массы воды, фактически сорбированной пробоотборниками в условиях постоянной и изменяющейся температуры, практически совпадают с расчетными значениями. Величина объемной активности трития, определенная при помощи пробоотборников в условиях меняющейся объемной активности в исследуемых средах, хорошо согласуется со значением, осредненным за время экспозиции.

2. Время экспозиции пробоотборника в зависимости от средней температуры исследуемой среды и применяемой полимерной пленки может составлять от 72 до 672 часов (от 3 дней до 4 недель).

3. Работоспособность пробоотборников при стационарных и нестационарных (в условиях изменяющихся температуры воды и объемной активности НТО) режимах экспозиции следует считать приемлемой для целей радиационного контроля.

Таким образом, проведенные лабораторные и натурные эксперименты подтвердили заявляемый технический результат.

Источники информации

1. Патент США №4949582 от 06.03.1989, МПК G 01 N 1/12.

2. Патент США № US 5821437 A от 13.10.1998, МПК G 01 N 1/10.

Формула изобретения

Пассивный пробоотборник, содержащий контейнер с открытой верхней частью, крышку с отверстием, съемно соединенную с открытой частью контейнера, и пробоотборный узел, представляющий собой сорбционный элемент, заполненный обезвоженным цеолитом, при этом нижняя часть контейнера выполнена открытой и соединена со съемной крышкой с отверстием, а отверстия в верхней и нижней крышках перекрыты диафрагмами в виде полимерной пленки, обладающей проницаемостью по отношению к парам воды, для дозирования паров воды во внутренний объем пробоотборника.

РИСУНКИ