Файл: 1. Цели и задачи пробоотбора. Представительность пробы. Факторы, учитывающиеся при пробоотборе. Виды проб.docx

излучение нагревает весь объем жидкости одновременно, не нагревая сосуд.  Поэтому при микроволновом нагреве раствор достигает температуры кипения очень быстро. Поскольку скорость нагрева при этом намного больше, может иметь место локальный перегрев.

На скорость нагрева вещества с помощью микроволнового излучения влияют три фактора: удельная электропроводность используемой кислоты, её время диэлектрической релаксации и объём. Время диэлектрической релаксации для кислоты неизменно, частота излучения, используемая в аналитических приборах, обеспечивает быстрый нагрев образцов. Объёмы большинства проб невелики, и их вещество полностью пронизывается микроволновым излучением. Это позволяет устранить проблемы охлаждения поверхности, однако приводит к риску повреждения оборудования отраженными излучением. В современных аналитических микроволновых установках предусмотрена защита магнетрона, поэтому воздействие отраженного излучения на нагрев образца уменьшается. При использовании СВЧ-нагрева разложение может быть проведено как в открытых, так и в закрытых системах. Закрытые системы для кислотного разложения обладают рядом преимуществ:

• 
  достигаются более высокие температуры, поскольку температура кипения кислоты увеличивается в условиях повышенного давления в сосуде, при этом время, необходимое для разложения, существенно уменьшается;
  
• 
  практически устраняются потери летучих элементов;
  
• 
  уменьшается расход кислот, т.к. при разложении в закрытом сосуде отсутствует испарение и нет необходимости добавлять кислоту для компенсации исходного объема, устраняется возможность загрязнения раствора
  
• 
  газообразные вещества, образующиеся в процессе разложения, остаются в сосуде;
  
• 
  устраняется или существенно снижается загрязнение принесенные из воздуха.
  

Использование микроволнового кислотного разложения для подготовки к количественному элементному анализу объектов окружающей среды преследует три основные цели: безопасность, быстрота и правильность определения. Лимитирующими параметрами разложения в закрытых системах являются температура и давление, при которых работа с сосудом ещё безопасна. При использовании автоклавной СВЧ- пробоподготовки время сокращается на 80%.

---

Возможность определить температуру и давление в закрытой системе способствует пониманию процессов, протекающих при кислотном разложении под действием микроволнового нагрева. Кислоты являются диэлектриками и поглощают электромагнитную энергию микроволнового поля. Различные кислоты поглощают различное количество микроволновой энергии, а конкретная кислота поглощает различные количества энергии в зависимости от концентрации и общей массы. Если известны продолжительность воздействия и мощность излучения, можно предсказать температуру и давление, развивающиеся в системе. Выведены уравнения, позволяющие предсказывать температуру определенного количества кислоты при определенной мощности поля.

Для обработки биологических объектов в большинстве случаев используется азотная кислота. Изучено кислотное разложение углеводов, белков и жиров, являющихся основными составными частями растительных и животных тканей, и для каждого класса соединений были получены сходные результаты.

Информация о составляющих матрицы образца существенна для определения температуры, наиболее эффективной для разложения. Знание характеристик разложения и взаимодействия компонентов со специальными реактивами обеспечивает управление процессами разложения пробы. В эффективных схемах микроволнового разложения требуется достигать и поддерживать минимальную температуру, при которой быстро разлагается большинство органических компонентов матрицы.

---

20. Ультразвук. Индикаторы ультразвука. Применение ультразвука в пробоподготовке: УЗ– диспергирование, эмульгирование, коагуляция, дегазация, воздействие на электрохимические и химические процессы.

Ультразвук и его применение в пробоподготовке

 Ультразвук (УЗ) – это упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 –20 кГц. Нижняя граница ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница УЗ-частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот ультразвука считают приблизительно 10^9 Гц (при нормальном давлении), в жидких и твердых телах граничная частота достигает 10^12 – 10^13 Гц.

В зависимости от длины волны и частоты ультразвук обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения. В связи с этим область УЗ-частот удобно подразделить на подобласти: низких (1,5*10^4 – 10^6 Гц), средних (10^5 – 10^7 Гц), высоких (10^7 – 10^9 Гц) частот и гиперзвук (10^9 – 10^13 Гц).

Распространение ультразвука подчиняется основным законам общим для акустических волн любого диапазона частот, обобщенно называемых обычно звуковыми волнами. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Ультразвук обладает рядом специфических особенностей, которые обусловлены относительно высокими частотами и соответственно малостью длин волн. Так для высоких УЗ-частот длины волн в воздухе составляют 3,4 *10^-3 – 3,4*10^-5 см; в воде – 1,5*10^-2 – 1,5*10^-4 см; в стали – 5*10^-2 – 5*10^-4 см. Для самой низкочастотной области ультразвука длины волн не превышают в большинстве случаев нескольких см и лишь вблизи нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков см.

Малая длина волны обусловливает лучевой характер распространения ультразвуковых волн. Вблизи излучателя ультразвуковые волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Отражение и рассеяние ультразвука на неоднородностях среды позволяет формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы (подобно световым лучам). Сам процесс фокусирования ультразвуковых волн посредством акустических линз, рефлекторов и с помощью излучателей вогнутой формы возможны лишь благодаря малости длины волны в сравнении с размерами этих устройств. Фокусировка ультразвука позволяет не только получать звуковые изображения, но и концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие значения интенсивности звука, которых на поверхности обычных излучателей ультразвука достичь невозможно. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

---

Индикаторы ультразвука.  Индикатором ультразвука в газах и жидкостях могут служить различные вторичные эффекты, возникающие при относительно больших интенсивностях, например, акустические течения, эффект дегазации жидкости, появление на поверхности жидкости ряби, переходящей при увеличении интенсивности в фонтанирование, кавитация с ее разнообразными проявлениями в виде массы пульсирующих пузырьков, возникновение кавитационного шума, эффектов очистки и кавитационной эрозии. При значительной интенсивности индикация может быть основана на тепловом эффекте, вызывающем плавление хорошо поглощающих ультразвук легкоплавких веществ таких, как воск и парафин. Индикацией ультразвука может служить и его разнообразное химическое действие, например, выделение иода или хлора из некоторых солей. При этом интенсивность окраски получаемого раствора служит для количественной оценки интенсивности ультразвука.

Колебания твердых тел можно обнаружить с помощью насыпанного на их поверхность мелкого порошка или песка. Когда амплитуда ускорения поверхности и, следовательно, находящихся на ней частиц порошка становится равной ускорению земного притяжения, частицы начинают подпрыгивать на поверхности и концентрироваться в узлах колебаний, образуя Хладни фигуры, позволяющие судить о распространении амплитуды колебаний.

Явление кавитации. В жидкостях основную роль при воздействии ультразвука на вещества и процессы играет кавитация. Кавитация – это возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью.

Различают акустическую кавитацию, возникающую при прохождении звуковой волны большой интенсивности и гидродинамическую, обусловленную сильным локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей течения.

Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения давления Рк, соответствующего порогу кавитации. Для идеальной однородной чистой жидкости вероятность спонтанного образования пузырьков становится заметной лишь при достаточно больших растягивающих напряжениях/ Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых зародышей кавитации – микроскопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами

---

, заполненными газом и т.д.

Кавитация возникает в результате потери устойчивости зародышей, попавших в область пониженного давления в звуковой волне, и быстрого их роста. Процесс расширения пузырьков-зародышей обусловлен рядом эффектов: давление газа и пара в пузырьке, превышающим давление в окружающей жидкости; диффузией газа в пузырек из жидкости; испарением жидкости и увеличением массы пара в пузырьке; коагуляцией зародышей.

Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например:

– с ростом частоты ультразвука увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия;

– с увеличением гидростатического давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий;

– увеличение частоты обычно приводит к повышению порогового значения интенсивности, отвечающего началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и пр.

Ультразвук обычно используется на первой стадии пробоподготовки для диспергирования, эмульгирования, коагуляции, дегазации и т.п.

Ультразвуковое диспергирование твердых тел происходит под действием микроударных волн, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков, и заметно интенсифицируются при наличии статического давления.

Этим способом можно получить мелкодисперсные материалы, размер получаемых частиц может составлять доли мкм. Так производят измельчение руд для анализа.

Аналогичным процессом для жидкости является процесс эмульгирования, также обусловленный кавитацией и обеспечивающий получение стойких мелкодисперсных эмульсий (минимальный размер капель – 0,1мкм). Ультразвуковое эмульгирование – переход одной из взаимно нерастворимых жидкостей в дисперсное состояние в среде другой под действием акустических колебаний.

Детальный механизм процесса эмульгирования не известен. По одной из гипотез кавитационная полость в одной из жидкостей вблизи раздела двух фаз в стадии захлопывания увлекает и отрывает капельки от общий массы другой жидкости.

Эмульгирование может протекать в широком диапазоне частот, на практике используют частоты 2–3 МГц. Диаметр капель дисперсной фазы не зависит от интенсивности ультразвука и незначительно зависит от частоты. Например, при увеличении частоты ультразвука с 20 кГц до 2 МГц диаметр капель уменьшается в два раза. Образование дисперсной фазы облегчается с понижением вязкости исходных компонентов.

---