Тема 7

Занятие 12

Работа 7.2

Пламенные фотометры

В исследованиях наиболее широкое рас­пространение получили пламенные фотометры ПФМ, ПАЖ-2 и приборы фирмы «Цейс-Флафо-4».

Принцип действия эмиссионных пламенных фотометров пока­зан на рис. 30.

Рис. 30. Принципиальная схема фотометра для эмиссион­ной фотометрии пламени:

1 - исследуемый раствор; 2 - подача гaзa; 3 - подача вoздуxa; 4 - распылитель; 5 - пламя; 6 - селектор (светофильтр или монохроматор); 7 - фотоэлемент или фотоумножитель; 8 - регистрирующий прибор (самописец или гальванометр).

Исследуемый раствор (1) под влиянием разре­жения, возникающего в инжекторе при движении воздуха (2), заса­сывается через капилляр из стаканчика или пробирки и попадает в виде аэрозоля (тумана) в смесительную камеру горелки (4), где происходит смешивание его с горячим газом (3). Смесь подается в пламя горелки (5) и сгорает с выделением большого количества тепла. Под влиянием образующейся энергии жидкость испаряется, а содержащиеся в ней элементы возбуждаются и излучают световую энергию определенных длин волн. Спектр излучения, выделен­ный с помощью монохроматора (6), состоит из отдельных линий (для атомов) или ряда полос (для молекул). Интенсивность излучения зависит от природы и концентрации исследуемого вещества в растворе. Поэтому величина фототока, возбуждаемого излуче­нием при его попадании на фотоэлемент или фотоумножитель (7), будет в определенном диапазоне отражать содержание вещества в растворе.

Таким образом, определение концентрации вещества в иссле­дуемом растворе сводится к сопоставлению показаний гальвано­метра 8 с показаниями эталонных растворов.

Фотоэлектрический пламенный фотометр ПФМ (рис. 31) пред­назначен для пламенно-спектрофотометрического количественного определения натрия, калия, лития, цезия, рубидия, кальция, маг­ния, стронция, бария, бора, хрома и марганца.

Рис. 31. Пламенный фотометр ПФМ:

1 - блок фотометра; 2 - блок электропитания и компрессор сжатого воздуха; 3 - блок усилителя фотометра; 4 - камера сгорания; 5 - миллиамперметр; 6, 7 - рукоятки кранов, регулирующих расход воздуха и газа; 8 - манометр давления воздуха; 9 - кнопка поджига горючей смеси горелки.

Рассчитан он на использование ацетилена или природного газа (метана, пропана или бутана), что позволяет с высокой точностью определять как щелочные, так и щелочно-земельные элементы. Для выделения излучения указанных элементов используют интерференционные светофильтры.

Прибор состоит из фотометра (1) и блока питания (2). В блоке фотометра расположены горелки (4), монохроматор, усилитель, мил­лиамперметр (5), краны для регулировки расхода воздуха и газа, а также рукоятки установки нуля миллиамперметра и чувстви­тельности прибора. В блоке питания находится компрессор с реси­вером и стабилизированный выпрямитель.

Порядок работы. Несмотря на некоторые различия в конструктивном оформлении пламенных фотометров типа ПФМ, порядок работы на них отличается несущественно.

Перед включением прибора тщательно проверяют состояние системы его питания газом и воздухом. Для этого закрывают рас­положенный на фотометре входной вентиль, открывают вентиль газового баллона.

С помощью маховичка первого редуктора уста­навливают давление в подводящей системе в пределах 1-2 атм. Затем плотно закрывают вентиль баллона и по манометру первого редуктора контролируют положение стрелки манометра в течение 10-15 мин. Если стрелка манометра будет оставаться на одном и том же месте, газовая магистраль считается исправной. При падении давления в ней с помощью мыльной пены находят течь и устраняют ее. Аналогичным образом поступают при работе с лю­бым газом.

Для приведения прибора в рабочее состояние необходимо:

1) включить прибор в сеть 220 В;

2) установить диафрагмы светового потока в положение «За­крыто» и скомпенсировать темновой ток прибора по шкале мил­лиамперметра до совмещения стрелки с нулем;

3) включить компрессор (2) и рукояткой 6 вентиля «Воздух» установить по манометру (8) давление воздуха в сети в пределах 0,2-0,4 атм (20-40 кПа);

4) перед подачей газа (пропана или ацетилена) в горелку не­обходимо проверить исправность зажигания - при нажатии кноп­ки 9 «Зажигание» через смотровое окно наблюдают проскакивание искры;

5) для подачи газа (ацетилена) открывают вентиль на балло­не с газом, а затем вентилем (7) фотометра «Газ» плавно увеличи­вают подачу горючего газа, контролируя его давление по манометру. Рабочее давление природного газа  (сетевого, пропана, бу­тана) должно составлять 40-80 мм вод. ст., а давление ацетиле­на - 100-200 мм вод. ст. Если давление газа достигает указан­ной величины, нажимают на кнопку «Зажигание» до воспламене­ния горючей смеси;

6) регулируя подачу (давление) газа и воздуха, добиваются устойчивого горения пламени. При этом внешний конус пламени должен быть светло-голубым. При давлении воздуха 0,3-0,4 атм оптимальное рабочее давление для пропана и сетевого газа - 50-60 мм вод. ст., для ацетилена - 140-180 мм вод. ст.

Выбранный режим работы горелки записывают в журнал и при повторном включении прибора устанавливают такое же давление газа и воздуха, так как от режима работы горелки зависит интенсивность излучения элементов и чувствительность прибора.

Определение концентраций исследуемых элементов следует начинать с построения градуировочного графика для каждого эле­мента по стандартным растворам известной концентрации. Для их приготовления используют химически чистые перекристаллизо­ванные соли.

Построение градуировочного графика. Для построения градуировочной кривой сначала из данной серии растворов в стаканчик наливают наиболее концентрированный раствор.

В него погружают заборный капилляр, при этом стрелка гальванометра отклонится на определенное число делений. Оптимальным считается отклонение (размах) стрелки на 2/3 рабочей шкалы прибора при измерении наиболее концентрированного раствора. Если стрелка миллиамперметра отклоняется недостаточ­но или очень сильно, ее устанавливают в оптимальном диапазоне вначале с помощью диафрагмы (увеличивая или уменьшая поток света на фотоэлемент), а если это не удается, то путем переклю­чения чувствительности фотометра.

Затем, когда диафрагма и чувствительность прибора выбраны, в пламя горелки вводят дистиллированную воду и по ней ручками грубой и тонкой настройки нуля стрелку миллиамперметра выво­дят на нуль. В пламя горелки поочередно вводят через капилляр распылителя эталонные растворы с известной, равномерно возрас­тающей концентрацией определяемого элемента. Для каждой кон­центрации раствора по отклонению стрелки миллиамперметра снимают отсчет шкалы прибора и записывают в журнал. Отсчеты берут спустя 10-15 с после начала распыления очередного раство­ра. Если растворы сильно отличаются своей концентрацией, то в пламя горелки после каждого раствора вводят дистиллированную воду и проверяют положение стрелки относительно нуля. При сме­щении нуля прибора стрелку снова корректируют на нуль с по­мощью потенциометра тонкой настройки нуля миллиамперметра. Число эталонных растворов обычно колеблется в пределах 6-8, что позволяет получить достаточное число точек для построения кривой калибровочного графика. Наибольшая концентрация эта­лонного раствора должна быть не меньше возможной концентра­ции вещества в исследуемых растворах. Во время измерений давление газа и воздуха, а также степень раскрытия диафрагмы должны быть одинаковы при измерении эта­лонных и исследуемых растворов.

Градуировочный график строится по показаниям гальваномет­ра и концентрации эталонного раствора. На графике следует указать режим работы прибора: давление газа и воздуха, степень раскрытия диафрагмы, положение рукоятки чувствительности при­бора, а при необходимости и другие сведения.

Определение концентрации вещества. Для этого капилляр распылителя помещают в дистиллиро­ванную воду и устанавливают нуль миллиамперметра. Затем в пламя горелки в определенной последовательности вводят иссле­дуемые растворы и по соответствующему отклонению стрелки де­лают отсчет по шкале прибора. Сопоставляя величину полученных отсчетов с показаниями эта­лонных растворов, по градуировочной кривой определяют концентрацию элемента в исследуемых растворах. Градуировочной кри­вой при постоянном режиме работы прибора можно пользоваться длительное время, лишь периодически проверяя ее  по эталонным растворам.

После окончания измерений следует промыть распылитель и горелку дистиллированной водой до получения бесцветного пла­мени и затем дать прибору некоторое время поработать без воды, чтобы высушить распылитель потоком сухого воздуха. Прекра­щают подачу газа, закрыв сначала вентиль на газовом баллоне, а затем на редукторе. Выключают компрессор и электропитание прибора.

Пламенный фотометр «Флафо-4». Наиболее удобным при массовых анализах почвы, растений и удобрений на содержание натрия, калия, кальция, лития и других элементов является двухканальный пламенный фотометр фирмы «Цейс» «Флафо-4» (рис. 32). Оптическая схема каждого из двух его каналов анало­гична оптической схеме ПФМ. Излучение атомов от горелки по­падает на вогнутое зеркало и, отразившись от него, попадает в разные каналы. В каждом канале световой поток проходит диа­фрагму, линзы, светофильтр и направляется на фотоэлемент. Пе­ред фотоэлементом световой поток модулируется с помощью ще­левого барабана-прерывателя с частотой 50 Гц. Возникающий определенной величины переменный фототок усиливается и реги­стрируется миллиамперметром.

Рис. 32. Пламенный фотометр «Флафо-4»:

1 - рукоятки кранов, регулирующих расход воздуха и газа; 2 - расходомеры;  3 - устройство для забора и распыления исследуемого раствора; 4 - камера сгорания; 5 - миллиамперметры.

Этот фотометр предназна­чен для одновременного опре­деления двух любых щелочных и щелочно-земельных элементов. При определении только одного какого-либо элемента второй канал может быть ис­пользован для регистрации из­лучения элементов от раствора сравнения. Конструкция прибо­ра дает возможность без гаше­ния пламени переходить на ра­боту с одного горючего газа на другой (например, с пропана на ацетилен), что расширяет выбор оптимальных условий проведения анализа.

Прибор состоит из блока стабилизированного питания и фото­метра. В корпусе фотометра расположены регулируемые с помощью рукояток (1) редукторы для газов, расходомеры (2), распылитель с заборным устройством (3), камера сгорания (4), миллиамперметры (5) (отдельно для каждого светового канала) и усилитель с выведен­ными на переднюю панель рукоятками для грубой и тонкой установки нуля, а также для переключения чувствительности при­бора.

Конструкция распылителя и горелки (с кольцевым соплом) обеспечивает низкий расход раствора (менее 1 мл/мин), высокую эффективность распыления. Прибор снабжен универсальной горел­кой, предусмотренной для работы с пропаном, бутаном, ацетиле­ном и другими газами.

Применяют сменные интерференционные светофильтры, харак­теристика которых дана в табл. 11.

Таблица 11

Характеристики светофильтров «Флафо-4»

В приборе предусмотрено грубое десятиступенчатое и точное (бесступенчатое) регулирование чувствительности, а также исклю­чение фона путем смещения нуля на 50 делений шкалы. Максимальная чувствительность в пламени ацетилен - воздух (пропан - воздух) для натрия составляет 0,0001 (0,001), калия - 0,01 (0,001), кальция - 0,01 (0,1), лития - 0,002 (0,01), рубидия - 1,0 (0,2) мг/л. Для проведения одного измерения требуется 12-20 с.

Порядок подготовки фотометра к работе и очередность выпол­нения операций при анализе эталонных и исследуемых растворов аналогичны порядку работы на отечественных пламенных фотомет­рах (ПФМ, ПАЖ-2).

При определении содержания натрия и калия, лития и рубидия в растворах в связи с их низким потенциалом ионизации следует использовать низкотемпературное пламя метана, пропана, бутана, воздуха, в то время как использование этих газов для анализа кальция, магния и других щелочно-земельных элементов снижает чувствительность приборов в 10-30 раз. Определение кальция и магния возможно только при использовании высокотемпературно­го пламени.