Depoluarea Ecologică a Unor Ape Uzate Industriale Conținând Substanțe Toxice

4.4. Cercetări experimentale privind realizarea unui dispozitiv de prelucrare rapidă a probelor de ape uzate în vederea analizei GC-MS

Poluanții prezenți în apele uzate testate în capitolele precedente au fost identificați, în principal, prin analize GC-MS. Pentru a putea fi analizate, apele uzate trebuie supuse în prealabil unor activități de prelucrare în laborator, laborioase și de lungă durată.

Prelucrarea probelor apoase în vederea analizei poate fi însă realizată cu ușurință și într-un timp scurt (cca. 3-4 min.), folosind Dispozitivul de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice, proiectat și realizat pe parcursul derulării acestei lucrări. Acesta este un echipament complet automatizat care poate prelucra probe atât în laborator cât și la locul prelevării acestora.

Au fost prelucrate cu acest echipament atât apele uzate industriale pe care am încercat să le depoluăm, cât și fracțiile obținute după depoluarea lor. Prelucrarea probelor apoase a avut la bază principiul extracției cu fază solidă SPE (Solid Phase Extraction) pe cartuș de extracție C18 [51,216,217].

Dispozitivul nu ridică probleme deosebite din punctul de vedere a protecției mediului, fiind un sistem ecologic. Deșeurile rezultate din activitatea de exploatare se colectează în containere speciale în vederea reciclării sau neutralizării ulterioare.

Acesta poate fi deosebit de util laboratoarelor de analiză a apelor uzate, fixe și mobile, dotate cu echipamente GC-MS, datorită reducerii timpului dedicat prelucrării probelor și automatizării procesului de prelucrare.

4.4.1. Obiectivele cercetării

Prelucrarea probelor în vederea analizei compușilor de interes este un proces laborios care implică multe faze ce pot introduce erori [51,52,53,218]. Precizia și acuratețea în aceste analize depind de identificarea erorilor aleatorii și sistematice, precum și de eliminarea sau corectarea acestora. În timpul extracțiilor, solvenții, reactivii, sticlăria, operatorul etc. pot produce modificări ale compoziției, ducând la interpretări eronate.

Transportul probelor prelevate la un laborator de analiză implică proceduri complexe și timp. De multe ori, în intervalul de timp scurs de la prelevare până la analiza efectivă, compușii de interes din probă pot fi degradați prin reacții de hidroliză, evaporare etc. Prelucrarea probelor în proximitatea locului de prelevare și într-un timp cât mai scurt, prezintă avantaje evidente, printre care:

simplificarea procedurilor și logisticii de transport a probelor, în locul acestora transportându-se doar rezultatul prelucrării ce poate fi direct analizat;

scurtarea timpului de la momentul prelevării până la momentul analizei;

evitarea alterării sau descompunerii compușilor de interes din probele prelevate.

Obiectivele cercetării au vizat realizarea unui echipament automatizat care să contribuie atât la eliminarea erorilor care pot apărea în laborator în timpul procesului de prelucrare a probelor, cât și scurtarea timpului necesar prelucrării acestora și reducerea cantităților de reactivi și solvenți utilizați.

Obiectivul principal al acestor cercetări a fost ca dispozitivul realizat să poată fi folosit și în afara laboratorului, la locul prelucrării probei, la laboratorul de analiză fiind transportată doar fiolița cu extractul de analizat.

Acest echipament a fost deosebit de util pentru determinarea concentrației inițiale de poluanți și a randamentului de depoluare a apelor uzate provenite din industria prelucrării laptelui, industria medicamentelor, decontaminarea catalitică și fotocatalitică a compușilor organofosforici.

4.4.2. Importanța prelucrării probelor în procesul de identificare a substanțelor poluante

Tehnica de identificare GC-MS și-a dovedit utilitatea în timp, impunându-se ca principalul mijloc de identificare pentru substanțele organice. Principalul dezavantaj al acestei tehnici rămâne necesitatea aducerii probei în stare compatibilă cu instrumentarul (probele gazoase adsorbite pe rășini, iar probele lichide și/sau solide dizolvate în solvenți organici corespunzători) [51].

Procesul de prelucrare a probelor lichide și/sau solide impune o serie de operații de laborator, cu un consum ridicat de reactivi și materiale specifice și, de regulă, cu o durată prea mare. Acest fapt afectează decisiv procesul de decizie, ținând cont de faptul că în rezolvarea situațiilor de criză factorul timp este foarte important [51,219].

Sistemele GC-MS transportabile pot analiza probele gazoase prelevate pe sisteme adsorbante (diferite tipuri de rășini) [220,221]. În cazul în care însă, sunt analizate probe apoase sau solide, este nevoie de un proces de pregătire a probelor, laborios și de durată, proces care ocupă aproximativ 60-70 % din timpul necesar exprimării rezultatelor. Realizată cu ușurință în laboratoare specializate, pregătirea probelor devine dificilă în condiții de teren [52,216]. De aceea, au fost realizate o serie întreagă de dispozitive care să ușureze procesul de pregătire a probelor „on site” [234].

Deci, identificarea substanțelor poluante din apele industriale se realizează urmând două etape:

a) pregătirea probelor;

b) analiza instrumental propriu-zisă.

Analiza acestor probe trebuie să se facă într-un laborator specializat, cu experiență în identificarea și confirmarea compușilor toxici poluanți [53].

Fie că sunt prea diluate sau în matrice complexe, probele sunt supuse unui tratament specific care le face compatibile cu tehnica analitică utilizată în scopul realizării separării și identificării. În același timp, trebuie identificate și eliminate toate sursele posibile de erori și interferențe, astfel încât să se obțină imaginea corectă a compușilor din probă, în timpul și la locul prelevării.

Există diferite tehnici de pregătire care se pot utiliza în prelucrarea probelor pentru analiză, în special acolo unde se impune identificarea clară [52], cele mai utilizate fiind prezentate în capitolul 2, subcapitolul 2.3.3.9.

Rezultatele analizei probelor care conțin compuși chimici de interes pot fi folosite în scopuri de identificare sau de verificare. Este obligatoriu ca manipularea și analizarea probelor să se execute într-o manieră ușor de susținut sub aspect juridic. Odată ajunse la destinație, probele sunt verificate din punct de vedere a integrității ambalajului și a sigiliului [51].

Deschiderea ambalajului, presupune luarea în custodie a probei. Specialistul responsabil este obligat să o numeroteze, să-și aplice inițialele pe aceasta și să o dateze.

Probele prelevate în urma inspecțiilor sau cele rezultate prin marcarea matricelor complexe în cadrul laboratorului sunt depozitate în vederea prelucrării, avându-se în vedere protejarea lor de furt, amestec cu alte probe, descompunere, evaporare, contaminare încrucișată [51,53,222]. În acest scop se folosește un frigider sau un congelator specific materialelor inflamabile, aflat sub controlul celui care primește proba.

Întotdeauna, înainte de utilizare, probele se aduc la temperatura camerei, după care sunt reintroduse în frigider, la sfârșitul zilei sau imediat după terminarea analizei.

În funcție de tipul de probă și de tehnica de identificare folosită, pregătirea probei presupune parcurgerea mai multor etape obligatorii [52]:

a) înlăturarea impurităților sau materialelor prezente în matrice, care împiedică identificarea;

b) concentrarea, în scopul îmbunătățirii șanselor de identificare;

c) derivatizarea, în scopul de a permite utilizarea unor tehnici de identificare mai sensibile sau pentru a schimba caracteristicile analiților în vederea unei separări optime;

d) înlăturarea componentelor probei care pot afecta instrumentele de analiză (coloane gaz-cromatografice, pompe și coloane lichid-cromatografice, sursa spectrometrului de masă).

4.4.3. Prezentarea dispozitivului de prelucrare rapidă a probelor

Dispozitivul de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice (Figura 4.74) a fost proiectat și realizat din necesitatea prelucrării rapide, la locul incidentului („on site”), a probelor solide și/sau lichide, pentru a împiedica extinderea contaminării asupra mediului și a populației, cu efecte grave de ordin social și economic [51,216,217,223-225]. Este singurul dispozitiv complet automatizat capabil să realizeze prelucrarea rapidă a probelor “on site”.

În realizarea acestui sistem ne-am bazat pe integrarea soluțiilor tehnice oferite de firmele cu realizări în domeniu (Proengin, Bruker, Drager), a tehnicilor analitice neconvenționale (SPE, SPME, Head Space etc.), într-un sistem unitar, de concepție proprie, universal valabil pentru detecția și identificarea compușilor de interes în orice stare de agregare și din toate tipurile de amestecuri complexe [216, 234].

Acesta vine în sprijinul aparaturii de detecție și de identificare [222], permițând echipamentelor de detecție să detecteze și substanțele toxice persistente, cu volatilitate scăzută (pe care nu le detectează la temperaturi normale) [226] și scurtând durata prelucrării probelor, la laboratorul de analiză ajungând doar proba gata prelucrată ce va fi introdusă în GC-MS în vederea identificării substanțelor toxice [219]. Funcția sa este aceea de prelucrare rapidă a probelor din diferite matrice la locul prelevării acestora. Poate fi folosit atât în condiții de laborator, cât și în condiții de teren.

Figura 4.74. Dispozitivul de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice. Imagine de ansamblu.

Este un sistem portabil destinat prelucrării probelor solide și/sau lichide, în scopul facilitării procesului de detecție a substanțelor periculoase, în cazul utilizării echipamentelor de detecție IMS (spectrometrie de mobilitate ionică), flamfotometrice și a tubușoarelor indicatoare [227,228] și a procesului de identificare a acestor substanțe, în cazul utilizării echipamentelor de identificare bazate pe tehnologia GC-MS [220,221].

Acest echipament asigură facilități tuturor instituțiilor militare și civile care dețin aparatură analitică sau factorilor de decizie în luarea unor decizii rapide și în cunoștință de cauză, în situații care impun protejarea forțelor implicate, populației și mediului și evitarea alarmelor false [53,223,222].

Efortul este îndreptat în sensul minimizării erorilor de identificare a substanțelor toxice periculoase și a creșterii gradului de prelucrare a probelor „on site”, pentru reducerea timpului necesar identificării substanțelor periculoase.

Dispozitivul de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice este realizat în variantă portabilă, putând fi instalat pe autovehicule dacă este fixat corespunzător și asigurat împotriva deplasărilor accidentale.

Se utilizează în mod independent de alte sisteme, fiind însă dependent de o sursă de energie externă. Echipamentul trebuie conectat fie la rețeaua publică de distribuție a energiei electrice (220 V c.a.), fie alimentat de la instalația electrică a vehiculului de transport la locul incidentului sau a prelevării de probe (invertor 220V) [216,217,229,224,225].

4.4.3.1. Alcătuirea produsului

În figura 4.75 este prezentată alcătuirea produsului: un modul de prelucrare a probelor lichide și un modul de condiționare a probelor [216, 217,229,224,225,234].

Figura 4.75. Diagrama produsului de bază.

Dispozitivul de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice este montat într-o carcasă confecționată din material plastic dur (ABS High Impact) și se compune din două module și sistemele auxiliare aferente.

Modulul de condiționare a probelor, care îndeplinește două funcții:

prelucrarea probelor lichide și solide în scopul detecției compușilor toxici

prelucrarea probelor solide în scopul identificării compușilor toxici adsorbiți în tubușoare cu rășini adsorbante [51].

Este compus din:

suport modul

manta de încălzire

rezistență electrică tip cartuș

senzor de temperatură

incintă pentru condiționarea probei

micropompă

tubușor cu rășini adsorbante de tip TENAX

adaptor (mufă) pentru conexiune la detector

furtun

cuple rapide

coturi.

II. Modulul de prelucrare a probelor lichide, compus din două părți:

II.a Sistem de prelucrare a probelor apoase

vase cu reactivi chimici (metanol, apă, clorură de metilen)

actuatori liniari

controlere ale actuatorilor liniari

limitatori de cursă

cartuș de extracție C18.

II.b Sistem de prelucrare a probelor de solvenți organici

vase cu reactivi chimici (hexan, acetonă)

actuatori liniari

controlere ale actuatorilor liniari

limitatori de cursă

cartuș de extracție Si.

II.c Componente comune modulului de prelucrare a probelor lichide

suport pentru vasele cu reactivi chimici și actuatorii liniari

sistem de spălare a traseului probei alcătuit din:

– vas cu solvent

– actuator liniar

– controler al actuatorului liniar

– limitatori de cursă

stage motor (retractibil)

ace injectoare

motor pas cu pas

micropompă cartuș extracție – vas reziduuri

micropompă cartuș extracție – fioliță probă

cameră video HD

senzor de „home” (limitator poziționare)

vas pentru reziduuri

fiolă pentru colectarea probelor prelucrate

furtun

cuple rapide

coturi.

III. Componente comune întregului sistem:

rack

surse de alimentare

unitate de comandă și control compusă din: – placă de bază

– hard disk SSD

– sursă de alimentare ATX

– monitor touch-screen

placă achiziții date

placă de control (switch) MOSFET

cablu alimentare

mufă alimentare generală

comutatoare.

Echipamentele auxiliare constau în:

Incinte pentru condiționarea probelor

Tubușoare cu rășini adsorbante tip TENAX

Adaptoare (mufe) pentru conexiunea la detector

Cartușe de extracție C 18

Cartușe de extracție Si

Vials-uri (fiolițe) pentru probe lichide

Vase pentru reactivi chimici

Seringi pentru prelevarea probelor lichide (5 ml)

Ustensile pentru prelevarea probelor solide (spatulă, cuter, pensetă)

Cablu pentru alimentarea cu energie electrică

Etichete

Instrucțiune de utilizare

Inventar

Echipamente de protecție.

Modulul de prelucrare a probelor lichide funcționează pe principiul extracției cu fază solidă [51], pe cartuș de extracție C18 în cazul probelor apoase și pe cartuș de extracție Si în cazul probelor organice.

Cartușul de extracție, de unică folosință, este un sistem compus dintr-un tub din polipropilenă, în care se află faza solidă între două frite din polietenă, cu rol de protecție și filtrare. Alegerea cartușului corespunzător se face în funcție de:

– volumul de probă;

– gradul de contaminare;

– complexitatea probei;

– cantitatea și natura compușilor de interes din probă.

Extracția cu fază solidă este o tehnică de extracție relativ nouă, folosită la pregătirea probelor lichide, cu aplicabilitate vastă și avantaje deosebite. Această tehnică se bazează pe interacțiunile specifice dintre un adsorbant solid și analiții din probe care sunt reținuți selectiv, concentrați sau separați de alți compuși cu care interferează.

Este o tehnică eficientă și rapidă, dând rezultate foarte bune la identificarea compușilor căutați. Volume relativ mari de probă, pot fi reținute pe cantități mici de fază solidă și extrase apoi cu volume mici de solvent, eliminându-se astfel concentrarea extractului și riscul de contaminare. Această tehnică poate fi folosită în vederea preconcentrării sau pentru a îndepărta substanța de interes dintr-o matrice murdară. Solvenții tipici sunt hexanul, clorura de metilen, alcoolul izopropilic și acetona.

Spre deosebire de extracția lichid-lichid, formarea emulsiilor nu mai reprezintă o problemă, dar procesul de extracție nu este total specific, existând compuși care rămân reținuți și sunt apoi eluați împreună cu compușii chimici de interes.

Extracția cu fază solidă implică parcurgerea următoarelor etape [52]:

1 – condiționarea adsorbantului se realizează cu un solvent de aceeași polaritate cu cea a probei, cu scopul de a crea o compatibilitate între adsorbant și solventul probei și de a înlătura eventualele impurități. În practică se utilizează doi solvenți: unul cu rolul de a curăța patul adsorbant (1-2 ml metanol, clorură de metilen), celălalt pentru crearea mediului adecvat retenției analiților probei (10 ml apă). Condiționarea improprie poate duce la recuperări slabe, rezultate nereproductibile și insuficienta curățare a probei.

2 – trecerea probei prin coloană și reținerea analiților pe adsorbant. Se face înainte ca solventul folosit la condiționare să treacă complet prin cartuș.

3 – spălarea adsorbantului pentru îndepărtarea impurităților. Se realizează înainte ca proba să treacă complet prin cartuș, folosind un solvent de aceeași polaritate cu cel al probei (pentru a evita eluarea compușilor de interes).

4 – uscarea adsorbantului. Se realizează prin trecerea unui curent de aer prin cartuș, în scopul eliminării complete a urmelor de apă, care ar influența negativ etapa următoare.

5 – eluarea compușilor reținuți. Se realizează prin trecerea unui volum mic de solvent potrivit. În funcție de polaritatea compușilor de interes, se utilizează drept eluent clorură de metilen/acetonă pentru compuși slab sau mediu polari sau n-hexanul pentru compuși nepolari.

Modulul de condiționare a probelor solide pentru identificarea compușilor toxici funcționează pe principiul adsorbției pe rășini adsorbante de tip TENAX. Configurarea sistemului ușurează mult activitățile de transport și service. Echipamentele auxiliare sunt ambalate separat, într-o geantă de transport etanșă și rezistentă, confecționată din plastic dur ABS High Impact. Sistemul poate fi pregătit pentru efectuarea unei prelucrări de probă în maximum 5 minute [216,217,229,224,225].

4.4.3.2. Operarea dispozitivului

Echipamentul este complet automatizat, fiind dotat cu un sistem de comandă și control care funcționează pe platformă LabView sub sistemul de operare Windows, comanda efectuându-se prin intermediul unui monitor touch-screen. Este ușor de operat, utilizatorul fiind informat pe monitor despre operațiile care urmează a fi derulate [217,234].

Operarea dispozitivului se face extrem de ușor, pe ecran fiind listate cele 4 programe pe care le poate rula dispozitivul:

– program probe apoase

– program probe organice

– program condiționare probe

– program umplere/golire vase de reactivi.

Operatorul alege de pe monitor modul de lucru al sistemului, în funcție de necesități și cerințe, după cum urmează:

– pentru detecția compușilor toxici cu volatilitate scăzută se apasă „Program condiționare probe”, care comandă intrarea în funcțiune a modulului de condiționare probe, pregătit pentru operațiunea de detecție (incinta de condiționare probe prevăzută cu adaptor pentru „nasul” detectorului instalată în dispozitiv).

– pentru identificarea compușilor toxici din probe lichide apoase se apasă „Program probe apoase”, care comandă intrarea în funcțiune a submodulului de prelucrare a probelor lichide apoase.

– pentru identificarea compușilor toxici din solvenți organici se apasă „Program probe organice”, care comandă intrarea în funcțiune a submodulului de prelucrare a probelor lichide organice.

– pentru identificarea compușilor toxici din probe solide se apasă „Program condiționare probe”, care comandă intrarea în funcțiune a modulului de condiționare a probelor, pregătit pentru operațiunea de identificare (incinta de condiționare probe prevăzută cu cuplă pentru tubușorul de adsorbție și tubușorul de adsorbție instalate în dispozitiv).

– pentru umplerea/golirea vaselor de reactivi se apasă „Program umplere/golire vase reactivi.

4.4.3.3. Caracteristici de performanță

Dispozitivul de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice prezintă următoarele caracteristici de performanță:

– Structură rigidă, putând fi instalat pe autovehicule care rulează în condiții de teren accidentat [222];

– Ușor de pus în funcțiune și operat;

– Complet automatizat;

– Intrare în regimul de lucru în cca. 5 min.;

– Semnalizare acustică și vizuală la intrare în regim de lucru sau la funcționare defectuoasă;

– Capacitatea de volatilizare a compușilor toxici persistenți din matrice solide și/sau lichide în scopul facilitării procesului de detecție a acestora [227,228];

– Capacitatea de prelucrare a diferitelor tipuri de probe (apoase, solvenți organici, sol, vegetație etc.);

– Scurtarea timpului de identificare a compușilor toxici;

– Alimentare de la bateria autovehiculului (invertor de curent) sau de la rețeaua de energie electrică (220 V c.a.);

– Funcționare normală în condiții de teren, în intervalul de temperatură cuprins între + 40C și + 350C și umiditate relativă a aerului de 20 90 %;

– Sistem “eco-friendly”, deșeurile rezultate în urma operării fiind colectate în containere speciale, în vederea reciclării sau neutralizării ulterioare.

4.4.3.4. Proiectare și execuție

Principiile de amenajare ce au stat la baza activităților de proiectare și execuție a „Dispozitivului de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice” sunt următoarele:

acces facil la fiecare componentă;

dispunere logică și funcțională a componentelor;

ergonomia;

asigurarea și protejarea pe timpul transportului;

inscripționare simplă și intuitivă.

Componentele de unică folosință sunt poziționate astfel încât să fie cel mai ușor de accesat, pentru a putea fi rapid înlocuite.

În interiorul carcasei sunt dispuse materiale profilate care pot prelua șocurile mecanice și vibrațiile, iar componentele individuale sunt asigurate cu sisteme de prindere ferme și ușor de mânuit. Materialele folosite pentru confecționarea produsului, dar și accesoriile necesare îmbinărilor sau fixărilor au fost alese dintre cele de cea mai bună calitate, pentru a se asigura o fiabilitate crescută și o funcționalitate maximă.

Prin soluțiile constructive și prin calitatea execuției, montajul mecanic al componentelor dispozitivului trebuie să corespundă următoarelor cerințe:

a) fixările să fie foarte ferme și sigure, dar să permită – în același timp – schimbarea cu ușurință a componentelor de unică folosință, pentru asigurarea unei operativități maxime;

b) sistemele de prindere și fixare să fie ușor demontabile, în situația intervenției (pentru reparații, înlocuiri de componente) la echipamentele aflate în stare de fixație.

Conexiunile electrice trebuie să fie protejate corespunzător de contactul cu agenți chimici.

Caracteristicile tehnice ale principalelor componente ale „Dispozitivului de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice” sunt prezentate în continuare.

Carcasă din plastic dur ABS High Impact (4), etanșă, rezistentă la șocuri mecanice și agenți chimici, prevăzută cu o valvă pentru compensarea presiunii aerului. Se poate folosi în intervalul de temperatură – 40 ÷ + 80 0C.

Rack asamblare (5) confecționat din cornier din oțel inox, confecționat pe dimensiunile interioare ale carcasei.

Suport pentru vasele de reactivi, actuatorii liniari și controllere (6), confecționat din oțel inox, plasat pe peretele din spate al carcasei.

Actuatori liniari (7) prevăzuți cu arbore filetat. Pentru fiecare actuator liniar au fost montați câte doi limitatori de cursă (3), plasați la limita superioară și inferioară a traseului arborelui filetat.

Controlere/drivere (8) care comandă actuatorii liniari și motorul pas cu pas.

Vase de reactivi (9) confecționate din seringi cu piston cu volumul de 50 ml, din PP, cu garnitură de etanșeizare rezistentă la acțiunea agenților chimici. Sunt fixate în suport cu două coliere din teflon (43), iar acționarea pistonului se face cu ajutorul unei furci care culisează odată cu arborele filetat (3).

Figura 4.76. Dispozitiv de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice. Vedere din față.

Stage retractibil al motorului pas cu pas (10) confecționat din oțel inox. Se află fixat în partea central stângă a carcasei, cu un șurub de blocare la transport. Când se pregătește pentru lucru se ridică prin culisare pe două tije metalice (11) și se blochează în poziția de lucru cu două șuruburi cu randalină (12). Pe acest suport mai sunt montate: două pompe, cartușul de extracție, camera video, vasul pentru colectarea reziduurilor, fiolița de probă, acele injectoare.

Motor pas cu pas (13) tip PANDRIV, care deplasează caruselul cu cartușul de extracție în dreptul fiecărui ac injector.

Pompe cu diafragmă (14, 15), rezistente la acțiunea agenților chimici.

Prima pompă (14) asigură condiționarea cartușului de extracție, eluarea probei, spălarea și uscarea cartușului de extracție. Toți solvenții sunt colectați în vasul de reziduuri.

Cea de a doua pompă (15) asigură trecerea eluentului prin cartușul de extracție și colectarea acestuia în fiolița de probă (16) în scopul analizării în laborator. De asemenea, această pompă asigură spălarea traseului probei.

Cartuș de extracție (17) tip C18 pentru probe apoase și tip Si pentru probe organice, cu un volum de 3 ml. Asigură prelucrarea probelor lichide prin extracție cu fază solidă. Este de unică folosință, se schimbă după fiecare probă.

Cameră video HD (18), necesară pentru monitorizarea nivelului lichidului în cartușul de extracție prin analiză automată a imaginii, parametru foarte important pentru atingerea caracteristicilor de performanță ale modulului de prelucrare a probelor lichide. Pentru a asigura condiții de iluminare optime și reproductibile, a fost prevăzută cu o carcasă confecționată din tablă de oțel inox (19) care împiedică pătrunderea luminii pe cartușul de extracție și cu un led (3).

Vas pentru colectarea reziduurilor, cu capac (20), confecționat din material rezistent la acțiunea agenților chimici. Prin capac este înfiletat furtunul care face legătura cu pompa (14). Când se umple, este golit în containerul cu deșeuri.

Suportul în care este așezat vasul cu reziduuri are atașată o prelungire care vine în contact cu senzorul de „home” (limitatorul de poziționare) (21) a stage-ului motorului.

Fiolița de probă (22), cu capac care se înfiletează și septuum din cauciuc siliconic, este confecționată din sticlă și are un volum de 4 ml. Se așează într-un suport confecționat din teflon (23). Este de unică folosință, se schimbă la fiecare probă.

Ace injectoare (24) sunt fixate pe partea superioară a stage-ului motorului. Sunt confecționate din țeavă de oțel inox cu diametrul interior de 1 mm și fixate cu ajutorul unor suporți de teflon (25). Prin ele sunt injectați solvenții din vasele de reactivi în cartușul de extracție.

Figura 4.79. Dispozitiv de prelucrare rapidă a probelor pentru detecția și identificarea substanțelor toxice. Vedere de sus.

Suport modul condiționare probe (26) confecționat din tablă de oțel inox, amplasat în partea dreaptă a carcasei.

Sistem de condiționare a probelor, compus din:

– manta încălzire probe (27), confecționată din oțel inox.

– rezistență încălzire tip cartuș.

– senzor de temperatură.

– incintă condiționare probe (28), confecționată din oțel inox, cu capac care se înfiletează. Atât incinta, cât și capacul sunt prevăzute cu o țeavă cu diametrul interior de 1 mm care permite pătrunderea aerului în interior.

– pompă cu diafragmă (29), rezistentă la acțiunea agenților chimici.

– tubușor cu rășini adsorbante tip TENAX (30), din sticlă (de unică folosință) sau metalic (folosiri repetate).

– adaptor (mufă) pentru conexiunea la echipamentul de detecție, confecționat din oțel inox și teflon.

Unitate de comandă și control a dispozitivului, compusă din:

– placă de bază (31);

– hard disk SSD (disc solid state) (32);

– sursă de alimentare calculator ATX (33);

– monitor LCD touch-screen (34), fixat pe capacul carcasei.

Placă de achiziție date (35), care îndeplinește următoarele funcții:

– achiziție semnal senzor de temperatură

– comandă placa de control Mosfet

– alimentează limitatorii de cursă ai actuatorilor liniari și actuatorul de poziționare al stage-ului motorului.

Placă control (switch) Mosfet (36). Are rolul de a comanda actuatorii liniari.

Surse de tensiune, 12 V, așezate pe fundul cutiei. Cea din stânga (37) alimentează controllerele actuatorilor liniari. Cea din dreapta (38) alimentează unitatea de comandă și control.

Sursă de tensiune, 24 V (39), așezată pe fundul cutiei, în parte dreaptă. Alimentează pompele, rezistența de încălzire, led-ul.

Soft automatizare dispozitiv, pe platformă LabView.

Mufă alimentare generală (40), 125/250 V.

Comutatoare (3 buc.). Funcțiile acestora sunt următoarele:

– pornit/oprit sistem, comutatorul de pe latura dreaptă a rack-ului (1)

– pornit/oprit calculator, comutatorul (2)

– pornit/oprit alimentare 24 V, comutatorul de pe latura stângă a rack-ului (3).

Adaptor USB RS485 (41), asigură legătura între unitatea de comandă și control și controllerele actuatorilor liniari, prin intermediul conectorului (42).

Furtun de legătură, din nylon, rezistent la acțiunea agenților chimici.

Racorduri pneumatice (mufe, coturi, cuple rapide etc.) rezistente la acțiunea agenților chimici.

Geantă de transport din plastic dur ABS High Impact pentru echipamentele auxiliare. Geanta este etanșă, rezistentă la șocuri mecanice și agenți chimici, prevăzută cu o valvă pentru compensarea presiunii aerului. Se poate folosi în intervalul de temperatură – 40 ÷ + 80 0C.

Această cutie conține următoarele echipamente necesare pentru funcționarea dispozitivului în condiții de teren:

– recipiente cu reactivi chimici pentru umplerea vaselor aflate în dispozitiv

– vase de reactivi chimici pentru înlocuirea celor aflate în dispozitiv, în caz de deteriorare a acestora

– seringi de 5 ml (cu ace)

– incinte pentru condiționarea probelor solide – adaptoare (mufe) pentru conexiunea la detector

– tubușoare cu rășini adsorbante TENAX

– cartușe de extracție C18

– cartușe de extracție Si

– fiolițe de probă

– vas pentru reziduuri

– spatulă, cutter, pensetă

– etichete (o rolă)

– mănuși

– inventar.

4.4.4. Mod de lucru

Probele apoase a căror concentrație de poluanți trebuie determinată prin spectrometrie de masă, nu pot fi injectate direct în aparat în vederea analizării. Acestea trebuie prelucrate anterior, pentru a fi aduse în stare compatibilă cu instrumentarul analitic.

Cu acest dispozitiv au fost prelucrate:

– apele uzate provenite din industria prelucrării laptelui, înainte și după ce au fost supuse depoluării prin filtrare pe MC;

– apele uzate provenite din industria medicamentelor, înainte și după ce au fost supuse depoluării prin filtrare pe MC;

– soluțiile de compuși organofosforici, după ce au fost supuse depoluării prin tehnici catalitice și fotocatalitice.

Reactivii și materialele folosite pentru prelucrarea probelor apoase au fost [51,52]:

– metanol – pentru condiționarea cartușului de extracție;

– apă HPLC – pentru spălarea cartușului de extracție;

– clorură de metilen – pentru eluarea poluanților reținuți pe cartușul de extracție (în cazul apelor uzate provenite din industria prelucrării laptelui și a celor provenite din industria medicamentelor) sau metanol – pentru eluarea poluanților reținuți pe cartușul de extracție (în cazul soluțiilor de compuși organofosforici depoluate prin tehnici catalitice și fotocatalitice);

– acetonă – pentru spălarea și decontaminarea traseelor urmate de probă;

– cartușe de extracție C18 de 3 ml;

– vials-uri de 4 ml, cu capace și septuumuri de silicon – pentru colectarea eluatului care ajunge la analiză GC-MS;

– etichete;

– seringi de 5 ml.

Probele apoase au fost prelucrate după următorul algoritm:

– se pornește dispozitivul;

– se introduce un cartuș de extracție în locașul corespunzător;

– se așează un vial (fioliță) de probă în locașul destinat;

– se alege de pe monitor secvența „Program probe apoase”;

– se pornește programul, apăsând tasta „Enter”;

– dispozitivul execută următoarele operațiuni:

condiționare cartuș de extracție (stage-ul motorului deplasează cartușul de extracție în dreptul vasului cu metanol, 3 ml metanol se scurg prin cartușul de extracție în vasul de reziduuri)

introducere probă apoasă (stage-ul motorului deplasează cartușul de extracție în poziția de zero și se introduc 3 ml de probă apoasă, cu o seringă, în cartușul de extracție; proba apoasă se scurge tot în vasul cu reziduuri)

spălare cartuș de extracție (stage-ul motorului deplasează cartușul de extracție în dreptul vasului cu apă HPLC, 3 ml apă se scurg prin cartușul de extracție în vasul de reziduuri)

uscare cartuș de extracție;

eluare poluanți reținuți în faza solidă a cartușului de extracție (stage-ul motorului deplasează cartușul de extracție în dreptul vasului cu clorură de metilen sau metanol (în funcție de tipul de probă), 3 ml solvent se scurg prin cartușul de extracție în vial-ul de probă);

etichetare fioliță de probă;

trimitere la analiză GC-MS;

spălare traseu (stage-ul motorului deplasează cartușul de extracție în dreptul vasului cu acetonă, 3 ml acetonă se scurg prin cartușul de extracție într-un alt vial de probă).

– se trece la prelucrarea altei probe sau se oprește dispozitivul.

Timpul necesar pentru prelucrarea unei probe apoase este de cca. 3-4 min., mult sub cel necesar pentru prelucrarea unei probe apoase, prin extracție cu fază solidă, în laborator.

4.4.5. Rezultate și discuții

1. Marile firme producătoare (Smith Detection, Brucker Daltonics etc.) care dețin aparatură performantă de detecție și identificare, sunt interesate de realizarea de sisteme de prelevare și prelucrare a probelor în orice situație, în vederea aducerii rapide a acestora într-o formă compatibilă cu instrumentarul de analiză [51,216,217].

2. Dispozitivul portabil pe care l-am realizat este un sistem auxiliar echipamentelor de detecție și de identificare propriu-zise, asigurând prelucrarea rapidă a probelor, “on site”, în vederea facilitării proceselor de detecție a compușilor toxici cu volatilitate scăzută și de identificare a compușilor toxici din diverse matrice (apă, solvenți organici, sol, vegetație etc.) [222].

3. Poate fi utilizat de către personalul din cadrul:

– laboratoarelor mobile și fixe CBRN destinate analizei compușilor chimici [53]

– subunităților din specialitatea apărare CBRN dotate cu autospeciale de cercetare (blindate sau neblindate) [105]

– echipelor de intervenție SIBCRA [51] aparținând Sistemului de Supraveghere și Avertizare CBRN al Armatei României

– altor entități similare din Sistemul Național de Apărare

– structurilor specializate din cadrul Ministerul Mediului și a Regiei Naționale „Apele Române” cu atribuții în prelevarea și analiza probelor de mediu

– instituțiilor civile care dețin laboratoare de analiză, fixe sau mobile, dotate cu echipamente GC-MS.

4. Reduce timpul necesar prelucrării probelor, putând fi utilizat pentru prelucrarea probelor din diferite matrice atât în laborator, cât și „on site”.

Dispozitivul a fost dezvoltat în cadrul unui proiect cuprins în Planul sectorial de cercetare-dezvoltare al M.Ap.N., proiectarea, execuția și testarea acestuia realizându-se în totalitate în centrul nostru.

Este singurul dispozitiv complet automatizat din lume, care poate realiza prelucrarea rapidă a diverse tipuri de probe „on site”.