Các phương pháp phân tích carbon monoxide trong môi trường

Bài trình bày về các phương pháp phân tích carbon monoxide trong môi trường.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

-Tiểu luận phương pháp phân

tích công cụ

Đề tài: Các phương pháp phân tích khí CO trong môi trường

Giảng viên: TS Huỳnh Khánh Duy Học viên thực hiện: Dương Minh Mẫn

Mục lục

1 Sơ lược về carbon monoxide 3

2 Các phương pháp phân tích khí CO hiện nay 3

2.1 Phương pháp phân tích điện 3

2.1.1 Phân tích theo độ dẫn nhiệt của khí 3

2.1.2 Phân tích theo sự cháy của cấu tử cần phân tích 5

2.1.3 Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí 6

2.2 Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ 8

2.3 Phương pháp quang phổ định lượng 9

3 Xác định nồng độ khí CO bằng phương pháp sắc ký khí 10

3.1 Phạm vi áp dụng 10

3.2 Nguyên tắc 10

3.3 Nguyên vật liệu 10

3.3.1 Các khí 10

3.3.2 Các hỗn hợp khí chuẩn 10

3.3.3 Nguyên vật liệu cho chuyển hóa sắc ký khí 11

3.4 Thiết bị 11

3.4.1 Cột 11

3.4.2 Lò chuyển hóa 11

3.4.3 Hệ thống nạp mẫu 12

3.5 Qui trình 12

3.5.1 Chuẩn bị ống chuyển hóa 12

3.5.2 Luyện lò chuyển hóa 12

3.5.3 Lập đường nền và thời gian lưu 13

3.5.4 Hiệu suất chuyển hóa 13

3.5.5 Xác định 14

3.6 Trình bày kết quả 14

1 Sơ lược về carbon monoxide

Carbon monoxide (CO) là một trong những chất gây ô nhiễm không khí phổ biến và phát tán rộng rãi nhất Khí CO không màu, không mùi và không vị Khí CO tan kém trong nước Khí CO có tỉ trọng nhỏ hơn so với không khí Khi vào trong cơ thể người

nó dễ dàng phản ứng với haemoglobin tạo thành carboxyhaemoglobin Tiếp xúc với khí CO là một trong những nguyên nhàn hàng đầu gây ngộ độc và tử vong một cách không chủ ý

Lượng khí CO thải ra toàn cầu hàng năm vào bầu khí quyển được ước tính khoảng 2,6

tỷ tấn, trong đó 60% là do các hoạt động của con người gây nên và 40% là do các quá trình trong tự nhiên Nguồn phổ biến sản xuất khí thải CO là từ động cơ đốt trong, các quá trình công nghiệp, nhà máy nhiệt điện sử dụng than đá và chất thải của lò đốt Nồng độ khí CO trên toàn cầu vào khoảng 0,05-0,12 ppm Mỗi năm nồng độ này gia tăng khoảng 1-2% ở tầng đối lưu Nồng độ xung quanh khu vực đô thị phụ thuộc nhiều vào mật độ xe, địa hình và thời tiết

2 Các phương pháp phân tích khí CO hiện nay

Để phân tích khí có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau, co thể phân thành 3 nhóm:

- Phân tích hóa học

- Phân tích điện

- Phân tích quang phổ

Phương pháp phân tích hóa học có ưu điểm là cho kết quả chính xác nhưng thời gian phân tích lâu, dụng cụ cồng kềnh và dễ vỡ, thường chỉ áp dụng trường hợp đòi hỏi kết quả phân tích chính xác cao Phương pháp phân tích điện, tuy cho kết quả chính xác thấp nhưng thời gian phân tích nhanh đáp ứng kịp thời yêu cầu công nghệ

2.1 Phương pháp phân tích điện

Phương pháp phân tích điện bao gồm: phân tích theo độ dẫn nhiệt, độ từ thẩm, khả năng hấp thụ bức xạ ánh sáng … của chất khí cần phân tích

2.1.1 Phân tích theo độ dẫn nhiệt của khí

Phương pháp phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí dựa vào sự khác nhau về độ dẫn nhiệt của các chất khí Một chất khí ở điều kiện nhất định có

một độ dẫn nhiệ nhất định và độ dẫn nhiệt của hỗn hợp phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của các cấu tử

Bảng 2.1độ dẫn nhiệt tương đối của một số chất khí so với không khí

Thiết bị phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí có bộ phận cơ bản là một buồng đo có dạng hình trụ bên trong căng một sợi dây bạch kim

Hình 2.1 Thiết bị đo khí theo độ dẫn nhiệt

1)Buồng đo 2)Dây bạch kim Khi cho dòng không khí chuyển động chậm đi qua buồng đo, cấp điện để nung nóng dây bạch kim sao cho nhiệt độ dây td = 1000C , khi đó nhiệt độ thành buồng

đo là tb Khi phân tích, cho dòng khí cần phân tích chuyển động qua buồng đo, do

độ dẫn nhiệt của khí cần phân tích khác không khí nên nhiệt độ dây bạch kim thay đổi Căn cứ độ sai lệch của nhiệt độ dây có thể xác định được thành phần khí phân tích

Độ dẫn nhiệt của khí xác định theo công thức:

Trong đó:

D - đường kính buồng đo

d - đường kính dây bạch kim

l - chiều dài dây

Δt - độ chênh lệch giữa nhiệt độ dây và nhiệt độ thành bình:

Δt = td –tb

Loại bỏ các đại lượng ổn định ta có quan hệ λ = f(td)

Khi nhiệt độ dây thay đổi (thường trong phạm vi ±50C) thì điện trở của dây Rd thay đổi theo, để đo nhiệt độ dây người ta dùng cầu cân bằng (hình 2.2) Cầu cân bằng gồm hai điện trở so sánh R4 và R2, các điện trở R1 và R3 là hai buồng đo Điện trở Rp là điện trở điều chỉnh dòng đi qua các biến trở, R0 là điện trở điều chỉnh điểm 0

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phân tích khí 2.1.2 Phân tích theo sự cháy của cấu tử cần phân tích

Phương pháp phân tích khí theo sự cháy của cấu tử cần phân tích được dùng để phân tích tổng lượng khí (CO + H2)

Hình 2.3 Hệ thống đo hỗn hợp khí CO và H2

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 2.3 ở đây R3 là buồng đo có dây bạch kim được nung nóng lên tới nhiệt độ 300 - 400oC

Nguyên lý hoạt động: Khí cần phân tích được dẫn qua buồng đo R3, nhờ xúc tác bạch kim, xẩy ra phản ứng:

Nếu hàm lượng (CO + H2) thay đổi 1% thì nhiệt độ dây thay đổi 125 - 150oC Thiết bị phân tích khí loại này cho kết quả chính xác không cao, sai số thường > 2,5%

2.1.3 Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí

Phương pháp phân tích khí theo độ từ thẩm của khí dựa trên tính chất từ của các loại khí Chất khí nào có độ từ thẩm lớn sẽ bị nam châm hút, còn chất khí nào có độ từ thẩm thấp không chịu tác động của từ trường Phương pháp này thường dùng để phân tích thành phần oxy trong hỗn hợp

Bảng 2.2 Độ từ thẩm của chất khí (µ)

Sơ đồ thiết bị phân tích trình bày trên hình 2.4a

Hình 2.4 Sơ đồ thiết bị phân tích khí theo độ từ thẩm a)Sơ đồ cấu tạo buồng đo b) Sơ đồ hệ thống đo Thiết bị đo gồm buồng đo hình tang trống (1) có hai cửa, cửa trên để dẫn khí vào, cửa dưới để dẫn khí ra Trong buồng đo bố trí màn chắn (2), điện trở R6 và R7 bằng dây bạch kim, nam châm (3) và cực từ giả (4) có hình dáng giống với nam châm (3) nhằm tạo ra sự đối xứng về truyền nhiệt

Nguyên lý hoạt động: dòng khí cần phân tích được dẫn vào buồng đo bị tấm chắn (2) tách thành hai dòng Dòng khí bên trái không chịu tác động của nam châm đi dọc thành buồng đo tới cửa ra Dòng khí bên phải chịu lực hút của nam châm (3)

đi qua điện trở R6 đã được nung nóng sau đó tới cửa ra Do dòng khí lạnh liên tục

đi qua, nhiệt độ điện trở R6 giảm Căn cứ vào độ chênh nhiệt độ của điện trở R6 và

R7 có thể xác định được thành phần của khí cần phân tích

Để đo độ chênh nhiệt độ dây sử dụng hệ thống đo có sơ đồ như hình 5.4b Phần (A) là buồng đo, R là biến trở đo, K là bộ khuếch đại, (ĐC) là động cơ xoay chiều liên kết động với kim chỉ và con chạy của biến trở đo R Các điện trở R6 và R7 của buồng đo được nung nóng từ nguồn điện ~20V Khi chưa cho dòng khí đi qua, nhiệt độ của hai điện trở R6 và R7 bằng nhau do đó điện trở của chúng bằng nhau, điều chỉnh R để cho Us = Uc Khi đó ∆U = Us – Uc = 0 , động cơ (ĐC) đứng yên

và kim chỉ chỉ 0 Khi cho dòng khí đi qua, nhiệt độ của điện trở R6 giảm xuống,

Uc thay đổi và Uc ≠ US => ∆U = Us – Uc ≠ 0, chênh áp qua khuếch đại (K) cấp điện cho động cơ (ĐC), động cơ quay kim chỉ và dịch con chạy của biến trở (R) cho đến khi Us = Uc

2.2 Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ

Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ dựa trên hiện tượng hấp thụ có chọn lọc các tia bức xạ của các chất khí, đặc biệt là bức xạ hồng ngoạiSơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 5.5

Nguyên lý hoạt động: khi phân tích, dây điện trở (3) được nung nóng đến nhiệt

độ 700 - 800oC để tạo ra ánh sáng đỏ, đĩa (5) trên đó có các lỗ trống quay với vận tốc n = 6 vòng/s Luồng bức xạ gồm các bức xạ mà tất cả các chất khí không cần phân tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên tô đậm) và các bức xạ chỉ

bị chất khí phân tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên không tô đậm) qua gương cầu (4) và các lỗ trống của đĩa quay tạo ra xung ánh sáng đi xuống các buồng chứa khí Khi đi qua các bình chứa khí do bình chế tạo bằng florin nên hầu như bình không hấp thụ ánh sánh đỏ

Hình 2.5 Sơ đồ thiết bị phẩn tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ

1) Nguồn điện 2) ổn áp 3) Dây điện trở nicrôm 4) Guơng cầu 5) Đĩa quay 6) Động cơ điện 7) Chỉnh lưu cơ khí 8) Bình chứa khí sạch 9) Bình chứa khí cần phân tích 10) Bình chứa các khí không cần phân tích 11) Hệ thống guơng phản xạ 12) Micrôvôn 13) Bộ

khuếch đại 14) Đồng hồ đo thứ cấp

Luồng bức xạ bên trái đi qua buồng (8) chứa không khí sạch nên không bị hấp thụ, luồng bức xạ bên phải đi qua buồng (9) chứa chất khí phân tích một phần bức xạ

bị hấp thụ Khi đi qua buồng (10) tất cả bức xạ mà các chất khí không cần phần tích hấp thụ sẽ bị hấp thụ hoàn toàn Như vậy sau khi đi qua buồng (10) luồng bức

xạ bên trái và bên phải chỉ còn những bức xạ mà chất khí phân tích hấp thụ nhưng cường độ khác nhau Nhờ hệ thống gương phản xạ hai luồng bức xạ trên được hướng vào hai mặt của một micrôvôn, do năng lượng bức xạ của hai luồng khác nhau nên tạo ra tín hiệu sai lệch Tín hiệu sai lệch sau khi được khuếch đại nhờ bộ khuếch đại (13) làm dịch chuyển con chạy biến trở để thay đổi dòng điện cung cấp cho dây nicrôm (3)và cấp tín hiệu cho đồng hồ đo (14) Toàn bộ hệ thống được đặt trong buồng điều nhiệt

2.3 Phương pháp quang phổ định lượng

Thiết bị phân tích khí bằng quang phổ gồm buồng ion hóa (1), buồng từ trường (3), cảm biến (5), bộ khuếch đại (6) và dụng cụ đo (7) Hai thành buồng ion hóa được đặt dưới một điện áp U

Hình 2.6 Sơ đồ thiết bị phân tích khí bằng quang phổ 1) Buồng inon hóa 2) Buồng từ trường 3&4) Khe hở 5) Cảm biến 6) Khuếch đại 7) Dụng cụ đo

Nguyên lý hoạt động: khí phân tích được chứa vào buồng (1) dưới áp suất thấp, bị bắn phá bởi dòng điện tử (e) và bị ion hóa Dưới tác dụng của điện trường E do điện áp U gây ra, các ion chất khí chuyển động về phía thành dưới của buồng và

có một luồng đi qua khe hở (2) vào buồng từ trường (3) theo quán tính Dưới tác dụng của từ trường vuông góc (B), các ion chuyển động theo những quỹ đạo cong với bán kính cong (r) khác nhau, phụ thuộc vào cường độ điện trường E cường độ

hai nhân tố thuộc bản chất chất khí Bằng cách thay đổi E và B ta có thể hướng những chùm ion khác nhau đi qua khe hở (4) tới cảm biến (5) Tín hiệu từ cảm biến (5) qua bộ khuếch đại (6) được đưa tới dụng cụ đo (7)

3 Xác định nồng độ khí CO bằng phương pháp sắc ký khí

3.1 Phạm vi áp dụng

Phương pháp này được dùng để đo những nồng độ CO nhỏ hơn 25 mg/m3

, nhưng cũng có thể dùng để đo nồng độ CO lớn đến 1000mg/m3 ở nhiệt độ

250C và áp suất 101,3kPa

3.2 Nguyên tắc

Cho một thể tích khí xác định mẫu không khí đi qua cột sắc ký để tách CO ra khỏi các thành phần không khí khác Khử CO vừa tách được thành methane bằng dòng khí Hydro trên xúc tác Ni Tín hiệu sắc ký nhận được tỷ lệ với lượng CO có trong mẫu

3.3 Nguyên vật liệu

3.3.1 Các khí

Lượng ẩm tối đa phải nhỏ hơn 10mg/m3

, nồng độ hydrocarbon toàn phần tính theo methane phải nhỏ hơn 0,1mg/m3 và CO phải nhỏ hơn 0,1g/m3

- Hydro

Hydro được sử dụng làm khí mang trong tách sắc ký khí, làm chất khử CO thành methane và cũng cần cho hoạt động của detector ngọn lửa ion hóa

- Không khí

Không khí cần cho hoạt động của detector ngọn lửa ion hóa

- Heli và Nito

Đối với một số đầu đốt, khí nito hoặc heli hoặc hỗn hợp cả hai khí này thêm vào khí đốt để cho độ nhạy và độ ổn định đạt mức tối đa

3.3.2 Các hỗn hợp khí chuẩn

- Methane trong không khí

Một hỗn hợp tiêu chuẩn khí methane trong không khí cần cho việc đo hiệu suất chuyển hóa Nồng độ của hỗn hợp khí methane phải được biết chính xác đến

1% và phải gần với nồng độ cao nhất của hỗn hợp khí tiêu chuẩn CO được dùng để chuyển hóa

Tìm hiệu suất chuyển hóa bằng cách so sánh diện tích các pitch thu được từ hỗn hợp khí methane đã biết với hỗn hợp khí carbon monoxide đã biết Diện tích của các pitch này có tỉ lệ giống như tỉ lệ của các nồng độ của methane và

CO nếu như toàn bộ CO chuyển hóa thành methane

- Carbon monoxide trong không khí

Những hỗn hợp tiêu chuẩn của CO trong không khí hoặc Nito (chính xác đến 1%) được dùng làm các khí chuẩn Cần sử dụng ít nhất 4 nồng độ khác nhau trong dải nồng độ cần đo, nghĩa là những nồng độ bắng 0, 20%, 50%, 80% của toàn bộ thang đo

3.3.3 Nguyên vật liệu cho chuyển hóa sắc ký khí

Niken hydrat và hexahydrat được sử dụng cho nhồi cột chuyển hóa phải tinh khiết

ở mức thuốc thử Nguyên liệu nhồi cột chuyển hóa là diatomite có cỡ hạt 0,125

mm đến 0,15mm (từ 100 đến 200 mesh ASTM)

Nguyên liệu nhồi cột tách sắc ky cỡ hạt từ 0,18mm đến 0,25mm (từ 60 đến 80 mesh ASTM)

Nếu các cỡ hạt khác được sử dụng, phải nõi rõ tính tương đương của chúng

3.4 Thiết bị

Dùng một mấy sắc ký khí với detector ngọn lửa ion hóa (FID), nếu có một hệ

tự đông lấy mẫu và phu mẫu thì có thể lấy và cùng phân tích hàng loạt mẫu gián đoạn Khoảng đo của thiết bị được sử dụng phải phù hợp với khoảng nồng

độ của khí cần đo

3.4.1 Cột

Dùng cột sắc ký khí để tách CO ra khỏi các thành phần khác có trong mẫu Điều quan trong là các nguyên liệu nhồi cột không thường xuyên giữ nước vì cột sẽ được rửa ngược giữa các lần phun mẫu Carbon monoxide được tách và đưa đến lò chuyển hóa, còn cột được rửa ngược để chuẩn bị cho mẫu tiếp theo 3.4.2 Lò chuyển hóa

Carbon monoxide phản ứng với hydro và có xúc tác Ni nóng sẽ chuyển hóa thành methane theo phản ứng sau

CO + 3H2 = CH4 + H2O

Hình 3.1 Lò chuyển hóa 3.4.3 Hệ thống nạp mẫu

Đưa mẫu khí vào hệ thống sắc ký khí bằng một vòng mẫu có dung tích thích hợp và một van phun mẫu

Một bơm nhỏ để lấy mẫu có khả năng hút khoảng 100cm 3/min không khí qua vòng mẫu

3.5 Qui trình

Trong khi đo carbon monoxide cần phải lưu ý những đặc trưng sau:

- Khoảng những nồng độ dự kiến

- Tín hiệu đo sắc kí và nồng độ tối thiểu có thể phát hiện so với tín hiệu nhiễu

- Số mẫu gián đoạn được đo trong một đơn vị thời gian

- Độ trôi điểm “không” và thời gian trôi

- Độ lập lại các phép đo

- Hiệu suất chuyển hóa

- Khoảng nhiệ độ ở đó các mẫu sẽ được lấy

3.5.1 Chuẩn bị ống chuyển hóa

Nhồi diatomite đã xử lý với niken nitrate vào một ống thép không ri

3.5.2 Luyện lò chuyển hóa

Lắp ráp hệ thống lấy mẫu, ống chuyển hóa và máy sắc ký Điều chỉnh hệ thống

ở cách thức không phun Nút điều khiển tự động được để ở vị trí không hoạt động ở giai đoạn này

Bật máy sắc ký khí và điều chỉnh như hướng dẫn của hãng sản xuất

Bật lò chuyển hóa và điều chỉnh đến nhiệt độ 2600C

Vận hành hệ thống trong một thời gian đủ dài để thu được một đường nền ổn định

Bật bơm lấy mẫu và nối một hỗn hợp khí chuẩn có nồng độ nằm trong khoảng muốn đo với lỗ lấy mẫu vào

Dùng tay chuyển hệ thống từ cách không phun sang cách phun Ghi lại khoản thời gian từ lúc phun mẫu đến lúc ra hết vết carbon monoxide

3.5.3 Lập đường nền và thời gian lưu

Chọn phạm vi nồng độ của carbon monoxide từ 0 đến 1 mg/m3 hoặc từ 0 đến

25 mg/m3 và thiết lập đường nền của khí mang như sau:

Nối lỗ lấy mẫu vào nguồn cấp không khí “không” Gia nhiệt trong một thời gian đủ để đạt được một đường nền ổn định Nối hỗn hợp khí chuẩn có nồng

độ nằm gần mức trên của khoảng nồng độ cần đo Với lỗ lấy mẫu vào

Dùng ít nhât 4 hỗn hợp khí chuẩn, bao gồm cả không khí “không” có nồng độ phủ kín khoảng nồng độ cần đo để xác định đường chuẩn

Nối lần lượt từng bình đựng khí chuẩn với lỗ vào của vòng mẫu Cho mỗi dòng khí đi vào cho đến khi vòng lấy mẫu được rửa sạch khỏi mẫu đo trước và chứa đầy khí muốn đo Để cho khí lên tời bằng áp suất xung quanh và phun Vận hành hệ thống phân tích sao cho lượng khí CO của mẫu ở trong vòng lấy mẫu

đi qua cột sắc ký khí và ống chuyển hóa để đến detector Với mỗi hỗn hợp khí chuẩn phải phân tích ít nhất 3 lần để đảm bảo độ chính xác và tin cậy

3.5.4 Hiệu suất chuyển hóa

Dùng methane trong không khí để đo hiệu suất chuyển hóa Nồng độ methane phải nằm ở đoạn cao của khoảng nồng độ CO cần đo

Hỗn hợp methane này được đo và diện tích pitch của nó được so sánh với diện tích pitch của hỗn hợp khí chuẩn CO có cùng nồng độ Tỉ lệ của các diện tích