7 Декабрь 2017

 

А.В. КАЛАЧ, канд. хим. наук, О.Б. РУДАКОВ, д.р хим. наук, Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет; В.Ф. СЕЛЕМЕНЕВ, д.р хим. наук, Воронежский
государственный университет; И.В. БОЧАРНИКОВА, инженер, Воронежский
государственный архитектурно-строительный университет

 

В последние десятилетия для оценки внутреннего климата помещения используется понятие «синдром больных зданий» (СБЗ). Появлению симптомов СБЗ способствуют неправильно спроектированные или построенные системы вентиляции, не способные выводить вредные, а порой и опасные химические и биологические загрязняющие вещества, выбросы промышленных предприятий и транспорта.
Более половины от общего числа источников загрязнения внутренней воздушной среды зданий составляют синтетические строительные материалы (СМ). Современные строительные материалы нарушают естественную вентиляцию и физико-химические показатели воздушной среды помещений, являются источниками эмиссии токсичных газов – более 250 соединений различных классов опасности.
По оценкам ВОЗ, здания, пораженные загрязняющими веществами, составляют до 30% строений во всем мире. Зачастую воздушная среда жилых помещений загрязнена настолько, что не отвечает гигиеническим требованиям, предъявляемым к качеству воздуха в заводских и производственных зданиях. Для контроля качества воздуха помещений службами санитарно-эпидемиологического контроля в настоящее время применяются, как правило, способы анализа, позволяющие определять только индивидуальные загрязнители из смеси. Кроме того, эти способы и методики требуют значительных временных затрат и сложного аппаратурного оформления.
В связи с этим актуальной эколого-аналитической задачей является разработка экспрессных способов анализа, позволяющих в режиме реального времени оценить качество воздуха помещений и вовремя принять решение о пригодности его для безопасной эксплуатации. Для достижения поставленной цели были приготовлены модельные газовые смеси, имитирующие реальные в строительных материалах.
Согласно гигиеническим заключениям равновесная газовая фаза большинства СМ содержит фенол и формальдегид в количествах 0,03 (ДВП, ДСП) и 0,02 (ЛПВХ) мг/м3, что не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК) для указанных аналитов. Для детектирования фенола и формальдегида в газовой фазе были применены сенсоры, модифицированные чувствительными сорбентами.
Определения выполняли с применением мультисенсорной системы «электронный нос» оригинальной конструкции [1].
В работе использовали кварцевые резонаторы АТ-среза (угол 35´25´´) с серебряными электродами диаметром 5 мм и толщиной 0,3 мм с номинальной резонансной частотой колебаний 8–10 МГц; многоканальный частотомер; управление работой системы осуществляли
ЭВМ по последовательному протоколу RS232.

Подготовка пьезосенсора. Для повышения чувствительности сенсора его поверхность модифицировали сорбентами. В качестве сорбентов использовались полиэтилен гликоль с молярной массой 1000–20000 г/моль (сорбенты 1–3); эфиры полиэтиленгликоля (сорбенты 4–6); поливиниловый спирт (сорбент 7); поливинилпирролидон (сорбент 8); сквалан (сорбент 9); динонилфталат (сорбент 10). Выбор сорбентов проводили в соответствии с полярностью и гидрофобностью.
Раствор сорбента равномерно распределяли микрошприцем по поверхности металлических электродов, не затрагивая периферийных участков пьезокварца. Затем сенсоры сушились при температуре 50–70оС.
Пробы газовой фазы. СМ отбирали при 20±2оС методом дискретной газовой экстракции. Предварительно был установлен оптимальный объем газовой фазы, равный 3 см3. Ранее было показано, что при увеличении объема пробы чувствительность микровзвешивания
меняется незначительно.
Такая зависимость аналитического сигнала сенсора от объема инжектируемой пробы позволяет априори сделать вывод: либо в газовой фазе СМ присутствуют избыточные количества загрязнителей, которые вызывают полное насыщение модификаторов при объемах проб 3 см3 , либо миграция летучих соединений, входящих в состав СМ, происходит в незначительных количествах и концентрация загрязнителей постоянна.
Получение и обработка аналитического сигнала. Снижение рабочей частоты колебаний (аналитический сигнал) пьезосенсоров рассчитывали по уравнению Зауэрбрея:
Δf = –2,3·10–6 · f20 · Δm/A ,
где Δm – масса, г; f0 – резонансная частота пьезосенсора, МГц; Δf – изменение частоты сенсора, Гц; А – площадь поверхности электродов сенсора, см2.
После введения каждой пробы фиксировали резонансную частоту каждого сенсора и вычисляли относительный сдвиг частоты Δfa  по уравнению:
Δfa = f1 – f2 ,
где f1 и f2 – частоты колебаний сенсора до и после анализа, Гц.
Предварительно с учетом предлагаемого алгоритма опроса матрицы в идентичных условиях изучена сорбция модельных газовых смесей аналитов при максимальном содержании загрязнителей равном 2 ПДК.

Аналитические сигналы электронного носа получены в виде профилограмм круглой формы; на осях откладывали аналитические сигналы индивидуальных сенсоров, номерам сенсоров в общей матрице соответствует номер оси. Геометрия визуального отпечатка газовой фазы при содержании формальдегида на уровне ПДК идентична геометрии отпечатка, соответствующего концентрации 2 ПДК (рис. 1 а, б); отличия проявляются лишь в интенсивности этих сигналов.
Визуальные отпечатки отличаются площадью, что позволяет количественно оценить содержание формальдегида в пробе. Аналогичные закономерности характерны и для визуальных отпечатков паров фенола (рис. 2 а, б).
pic1

Таким образом, по геометрии визуальных отпечатков возможна идентификация формальдегида и фенола.
При экспонировании матрицы сенсоров в парах модельной газовой смеси фенола и формальдегида установлен аддитивный характер сорбции этих загрязнителей. При увеличении концентрации модельной смеси до 2 ПДК геометрия визуального отпечатка остается
постоянной, закономерно увеличивается площадь.
Заметные изменения в геометрии визуальных отпечатков происходят при сорбции смеси фенола и формальдегида при концентрациях в пределах ПДК и 2 ПДК соответственно. Визуальный отпечаток качественно отличается от аналогичного, полученного при сорбции модельной смеси загрязнителей на уровне ПДК.
Таким образом, установлено, что мультисенсорная система электронный нос применима для проведения экспертизы реальных образцов строительных материалов.