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 cơng cụ Đề tài: Các phương pháp phân tích khí CO mơi trường Giảng viên: TS Huỳnh Khánh Duy Học viên thực hiện: Dương Minh Mẫn Mục lục Sơ lược carbon monoxide Các phương pháp phân tích khí CO 2.1 Phương pháp phân tích điện 2.1.1 Phân tích theo độ dẫn nhiệt khí 2.1.2 Phân tích theo cháy cấu tử cần phân tích 2.1.3 Phân tích khí theo độ từ thẩm khí 2.2 2.3 Phân tích khí theo khả hấp thụ xạ Phương pháp quang phổ định lượng Xác định nồng độ khí CO 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 Lị 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 thời gian lưu 13 3.5.4 Hiệu suất chuyển hóa 13 3.5.5 Xác định 14 3.6 Trình bày kết 14 Sơ lược carbon monoxide Carbon monoxide (CO) chất gây nhiễm khơng khí phổ biến phát tán rộng rãi Khí CO khơng màu, khơng mùi khơng vị Khí CO tan nước Khí CO có tỉ trọng nhỏ so với khơng khí Khi vào thể người dễ dàng phản ứng với haemoglobin tạo thành carboxyhaemoglobin Tiếp xúc với khí CO nguyên nhàn hàng đầu gây ngộ độc tử vong cách không chủ ý Lượng khí CO thải tồn cầu hàng năm vào bầu khí ước tính khoảng 2,6 tỷ tấn, 60% hoạt động người gây nên 40% trình tự nhiên Nguồn phổ biến sản xuất khí thải CO từ động đốt trong, trình công nghiệp, nhà máy nhiệt điện sử dụng than đá chất thải lị đốt Nồng độ khí CO toàn cầu vào khoảng 0,05-0,12 ppm Mỗi năm nồng độ gia tăng khoảng 1-2% tầng đối lưu Nồng độ xung quanh khu vực đô thị phụ thuộc nhiều vào mật độ xe, địa hình thời tiết Các phương pháp phân tích khí CO Để phân tích khí dùng nhiều phương pháp khác nhau, co thể phân thành nhóm: - Phân tích hóa học Phân tích điện Phân tích quang phổ Phương pháp phân tích hóa học có ưu điểm cho kết xác thời gian phân tích lâu, dụng cụ cồng kềnh dễ vỡ, thường áp dụng trường hợp địi hỏi kết phân tích xác cao Phương pháp phân tích điện, cho kết xác thấp 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 hấp thụ xạ ánh sáng … chất khí cần phân tích 2.1.1 Phân tích theo độ dẫn nhiệt khí Phương pháp phân tích khí theo độ dẫn nhiệt chất khí dựa vào khác độ dẫn nhiệt chất khí Một chất khí điều kiện định có độ dẫn nhiệ định độ dẫn nhiệt hỗn hợp phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt cấu tử Bảng 2.1độ dẫn nhiệt tương đối số chất khí so với khơng khí Thiết bị phân tích khí theo độ dẫn nhiệt chất khí có phận buồng đo có dạng hình trụ bên căng sợi dây bạch kim Hình 2.1 Thiết bị đo khí theo độ dẫn nhiệt 1)Buồng đo 2)Dây bạch kim Khi cho dịng khơng khí chuyển động chậm qua buồng đo, cấp điện để nung nóng dây bạch kim cho nhiệt độ dây td = 1000C , nhiệt độ thành buồng đo tb Khi phân tích, cho dịng khí cần phân tích chuyển động qua buồng đo, độ dẫn nhiệt khí cần phân tích khác khơng khí nên nhiệt độ dây bạch kim thay đổi Căn độ sai lệch nhiệt độ dây xác định thành phần khí phân tích Độ dẫn nhiệt khí xác định theo cơng thức: Trong đó: D - đường kính buồng đo d - đường kính dây bạch kim l - chiều dài dây Δt - độ chênh lệch nhiệt độ dây nhiệt độ thành bình: Δt = td –tb Loại bỏ đại lượng ổn định ta có quan hệ λ = f(td) Khi nhiệt độ dây thay đổi (thường phạm vi ±50C) điện trở dây Rd thay đổi theo, để đo nhiệt độ dây người ta dùng cầu cân (hình 2.2) Cầu cân gồm hai điện trở so sánh R4 R2, điện trở R1 R3 hai buồng đo Điện trở Rp điện trở điều chỉnh dòng qua biến trở, R0 điện trở điều chỉnh điểm Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phân tích khí 2.1.2 Phân tích theo cháy cấu tử cần phân tích Phương pháp phân tích khí theo cháy cấu tử cần phân tích dùng để phân tích tổng lượng khí (CO + H2) Hình 2.3 Hệ thống đo hỗn hợp khí CO H2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị trình bày hình 2.3 R3 buồng đo có dây bạch kim nung nóng lên tới nhiệt độ 300 - 400oC Nguyên lý hoạt động: Khí cần phân tích dẫn qua buồng đo R3, nhờ xúc tác bạch kim, xẩy phản ứng: Nếu hàm lượng (CO + H2) thay đổi 1% nhiệt độ dây thay đổi 125 - 150oC Thiết bị phân tích khí loại cho kết xác khơng cao, sai số thường > 2,5% 2.1.3 Phân tích khí theo độ từ thẩm khí Phương pháp phân tích khí theo độ từ thẩm khí dựa tính chất từ loại khí Chất khí có độ từ thẩm lớn bị nam châm hút, cịn chất khí có độ từ thẩm thấp khơng chịu tác động từ trường Phương pháp thường dùng để phân tích thành phần oxy hỗn hợp Bảng 2.2 Độ từ thẩm chất khí (µ) Sơ đồ thiết bị phân tích trình bày 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 để dẫn khí vào, cửa để dẫn khí Trong buồng đo bố trí chắn (2), điện trở R6 R7 dây bạch kim, nam châm (3) cực từ giả (4) có hình dáng giống với nam châm (3) nhằm tạo đối xứng truyền nhiệt Ngun lý hoạt động: dịng khí cần phân tích dẫn vào buồng đo bị chắn (2) tách thành hai dịng Dịng khí bên trái không chịu tác động nam châm dọc thành buồng đo tới cửa Dịng khí bên phải chịu lực hút nam châm (3) qua điện trở R6 nung nóng sau tới cửa Do dịng khí lạnh liên tục qua, nhiệt độ điện trở R6 giảm Căn vào độ chênh nhiệt độ điện trở R6 R7 xác định thành phần khí cần phân tích Để đo độ chênh nhiệt độ dây sử dụng hệ thống đo có sơ đồ hình 5.4b Phần (A) buồng đo, R biến trở đo, K khuếch đại, (ĐC) động xoay chiều liên kết động với kim chạy biến trở đo R Các điện trở R6 R7 buồng đo nung nóng từ nguồn điện ~20V Khi chưa cho dịng khí qua, nhiệt độ hai điện trở R6 R7 điện trở chúng nhau, điều chỉnh R Us = Uc Khi ∆U = Us – Uc = , động (ĐC) đứng yên kim chỉ Khi cho dịng khí qua, nhiệt độ điện trở R6 giảm xuống, Uc thay đổi Uc ≠ US => ∆U = Us – Uc ≠ 0, chênh áp qua khuếch đại (K) cấp điện cho động (ĐC), động quay kim dịch chạy biến trở (R) Us = Uc 2.2 Phân tích khí theo khả hấp thụ xạ Phân tích khí theo khả hấp thụ xạ dựa tượng hấp thụ có chọn lọc tia xạ chất khí, đặc biệt xạ hồng ngoạiSơ đồ nguyên lý thiết bị trình bày hình 5.5 Nguyên lý hoạt động: phân tích, dây điện trở (3) nung nóng đến nhiệt độ 700 - 800oC để tạo ánh sáng đỏ, đĩa (5) có lỗ trống quay với vận tốc n = vòng/s Luồng xạ gồm xạ mà tất chất khí khơng cần phân tích hấp thụ (ký hiệu mũi tên tô đậm) xạ bị chất khí phân tích hấp thụ (ký hiệu mũi tên không tô đậm) qua gương cầu (4) lỗ trống đĩa quay tạo xung ánh sáng xuống buồng chứa khí Khi qua bình chứa khí bình chế tạo florin nên bình khơng hấp thụ ánh sánh đỏ Hình 2.5 Sơ đồ thiết bị phẩn tích khí theo khả hấp thụ xạ 1) Nguồn điện 2) ổn áp 3) Dây điện trở nicrôm 4) Guơng cầu 5) Đĩa quay 6) Động điện 7) Chỉnh lưu khí 8) Bình chứa khí 9) Bình chứa khí cần phân tích 10) Bình chứa khí khơng cần phân tích 11) Hệ thống guơng phản xạ 12) Micrôvôn 13) Bộ khuếch đại 14) Đồng hồ đo thứ cấp Luồng xạ bên trái qua buồng (8) chứa khơng khí nên khơng bị hấp thụ, luồng xạ bên phải qua buồng (9) chứa chất khí phân tích phần xạ bị hấp thụ Khi qua buồng (10) tất xạ mà chất khí khơng cần phần tích hấp thụ bị hấp thụ hồn tồn Như sau qua buồng (10) luồng xạ bên trái bên phải xạ mà chất khí phân tích hấp thụ cường độ khác Nhờ hệ thống gương phản xạ hai luồng xạ hướng vào hai mặt micrôvôn, lượng xạ hai luồng khác nên tạo tín hiệu sai lệch Tín hiệu sai lệch sau khuếch đại nhờ khuếch đại (13) làm dịch chuyển chạy biến trở để thay đổi dịng điện cung cấp cho dây nicrơm (3)và cấp tín hiệu cho đồng hồ đo (14) Tồn hệ thống đặt buồng điều nhiệt 2.3 Phương pháp quang phổ định lượng Thiết bị phân tích khí quang phổ gồm buồng ion hóa (1), buồng từ trường (3), cảm biến (5), khuếch đại (6) dụng cụ đo (7) Hai thành buồng ion hóa đặt điện áp U Hình 2.6 Sơ đồ thiết bị phân tích khí 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 chứa vào buồng (1) áp suất thấp, bị bắn phá dịng điện tử (e) bị ion hóa Dưới tác dụng điện trường E điện áp U gây ra, ion chất khí chuyển động phía thành buồng có luồng qua khe hở (2) vào buồng từ trường (3) theo quán tính Dưới tác dụng từ trường vng góc (B), ion chuyển động theo quỹ đạo cong với bán kính cong (r) khác nhau, phụ thuộc vào cường độ điện trường E cường độ từ trường (B), khối lượng (m) điện tích (e) ion, m e hai nhân tố thuộc chất chất khí Bằng cách thay đổi E B ta hướng chùm ion khác qua khe hở (4) tới cảm biến (5) Tín hiệu từ cảm biến (5) qua khuếch đại (6) đưa tới dụng cụ đo (7) Xác định nồng độ khí CO phương pháp sắc ký khí 3.1 Phạm vi áp dụng Phương pháp dùng để đo nồng độ CO nhỏ 25 mg/m3, dùng để đo nồng độ CO lớn đến 1000mg/m3 nhiệt độ 250C áp suất 101,3kPa 3.2 Nguyên tắc Cho thể tích khí xác định mẫu khơng khí qua cột sắc ký để tách CO khỏi thành phần khơng khí khác Khử CO vừa tách thành methane dịng khí Hydro xúc tác Ni Tín hiệu sắc ký nhận tỷ lệ với lượng CO có mẫu 3.3 Nguyên vật liệu 3.3.1 Các khí Lượng ẩm tối đa phải nhỏ 10mg/m3, nồng độ hydrocarbon tồn phần tính theo methane phải nhỏ 0,1mg/m3 CO phải nhỏ 0,1g/m3 - Hydro Hydro sử dụng làm khí mang tách sắc ký khí, làm chất khử CO thành methane cần cho hoạt động detector lửa ion hóa - Khơng khí Khơng khí cần cho hoạt động detector lửa ion hóa - Heli Nito Đối với số đầu đốt, khí nito heli hỗn hợp hai khí thêm vào khí đốt độ nhạy độ ổn định đạt mức tối đa 3.3.2 Các hỗn hợp khí chuẩn - Methane khơng khí Một hỗn hợp tiêu chuẩn khí methane khơng khí cần cho việc đo hiệu suất chuyển hóa Nồng độ hỗn hợp khí methane phải biết xác đến 10 1% phải gần với nồng độ cao hỗn hợp khí tiêu chuẩn CO dùng để chuyển hóa Tìm hiệu suất chuyển hóa cách so sánh diện tích pitch thu từ hỗn hợp khí methane biết với hỗn hợp khí carbon monoxide biết Diện tích pitch có tỉ lệ giống tỉ lệ nồng độ methane CO tồn CO chuyển hóa thành methane - Carbon monoxide khơng khí Những hỗn hợp tiêu chuẩn CO khơng khí Nito (chính xác đến 1%) dùng làm khí chuẩn Cần sử dụng nồng độ khác dải nồng độ cần đo, nghĩa nồng độ bắng 0, 20%, 50%, 80% toàn thang đo 3.3.3 Ngun vật liệu cho chuyển hóa sắc ký khí Niken hydrat hexahydrat sử dụng cho nhồi cột chuyển hóa phải tinh khiết mức thuốc thử Nguyên liệu nhồi cột chuyển hóa 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 cỡ hạt khác sử dụng, phải nõi rõ tính tương đương chúng 3.4 Thiết bị Dùng sắc ký khí với detector lửa ion hóa (FID), có hệ tự đơng lấy mẫu phu mẫu lấy phân tích hàng loạt mẫu gián đoạn Khoảng đo thiết bị sử dụng phải phù hợp với khoảng nồng độ khí cần đo 3.4.1 Cột Dùng cột sắc ký khí để tách CO khỏi thành phần khác có mẫu Điều quan nguyên liệu nhồi cột khơng thường xun giữ nước cột rửa ngược lần phun mẫu Carbon monoxide tách đưa đến lị chuyển hóa, cịn cột rửa ngược để chuẩn bị cho mẫu 3.4.2 Lị chuyển hóa Carbon monoxide phản ứng với hydro có xúc tác Ni nóng chuyển hóa thành methane theo phản ứng sau 11 CO + 3H2 = CH4 + H2O Hình 3.1 Lị chuyển hóa 3.4.3 Hệ thống nạp mẫu Đưa mẫu khí vào hệ thống sắc ký khí vịng mẫu có dung tích thích hợp van phun mẫu Một bơm nhỏ để lấy mẫu có khả hút khoảng 100cm 3/min khơng khí qua vịng mẫu 3.5 Qui trình Trong đo carbon monoxide cần phải lưu ý đặc trưng sau: 3.5.1 Khoảng nồng độ dự kiến Tín hiệu đo sắc kí nồng độ tối thiểu phát so với tín hiệu nhiễu Số mẫu gián đoạn đo đơn vị thời gian Độ trôi điểm “không” thời gian trôi Độ lập lại phép đo Hiệu suất chuyển hóa Khoảng nhiệ độ mẫu lấy Chuẩn bị ống chuyển hóa Nhồi diatomite xử lý với niken nitrate vào ống thép khơng ri 3.5.2 Luyện lị chuyển hóa 12 Lắp ráp hệ thống lấy mẫu, ống chuyển hóa máy sắc ký Điều chỉnh hệ thống cách thức không phun Nút điều khiển tự động để vị trí khơng hoạt động giai đoạn Bật máy sắc ký khí điều chỉnh hướng dẫn hãng sản xuất Bật lị chuyển hóa điều chỉnh đến nhiệt độ 2600C Vận hành hệ thống thời gian đủ dài để thu đường ổn định Bật bơm lấy mẫu nối hỗn hợp khí chuẩn có nồng độ nằm 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 hết vết carbon monoxide 3.5.3 Lập đường thời gian lưu Chọn phạm vi nồng độ carbon monoxide từ đến mg/m3 từ đến 25 mg/m3 thiết lập đường khí mang sau: Nối lỗ lấy mẫu vào nguồn cấp không khí “khơng” Gia nhiệt thời gian đủ để đạt đường ổn định Nối hỗn hợp khí chuẩn có nồng độ nằm gần mức khoảng nồng độ cần đo Với lỗ lấy mẫu vào Dùng nhât hỗn hợp khí chuẩn, bao gồm khơng khí “khơng” có nồng độ phủ kín khoảng nồng độ cần đo để xác định đường chuẩn Nối bình đựng khí chuẩn với lỗ vào vịng mẫu Cho dịng khí vào vòng lấy mẫu rửa khỏi mẫu đo trước chứa đầy khí muốn đo Để cho khí lên tời áp suất xung quanh phun Vận hành hệ thống phân tích cho lượng khí CO mẫu vòng lấy mẫu qua cột sắc ký khí ống chuyển hóa để đến detector Với hỗn hợp khí chuẩn phải phân tích lần để đảm bảo độ xác tin cậy 3.5.4 Hiệu suất chuyển hóa Dùng methane khơng khí để đo hiệu suất chuyển hóa Nồng độ methane phải nằm đoạn cao khoảng nồng độ CO cần đo Hỗn hợp methane đo diện tích pitch so sánh với diện tích pitch hỗn hợp khí chuẩn CO có nồng độ Tỉ lệ diện tích 13 pitch đo phải giống với tỉ lệ nồng độ methane CO Đó hiệu suất chuyên hóa hiệu suất phải > 95% 3.5.5 Xác định Dùng bơm lấy mẫu hút liên túc khí qua vịng mẫu đường vịng Lưu lượng dịng mẫu đủ để làm làm đầy vòng mẫu Vào thời điểm thích hợp chương trình lấy mẫu, khí chứa vịng mẫu phun tự động hệ thống sắc ký khí để đo hàm lượng carbon monoxide 3.6 Trình bày kết Xác định nồng độ khí CO cách so sánh diện tích pitch thu từ hỗn hợp khí chuẩn mẫu Tài liệu tham khảo - Dean’s analytical chemistry handbook second edition, Pradyot Patnaik - Methods of Air Sampling and Analysis third edition, James P.Lodge - Phân tích định lượng, Nguyễn Thị Thu Vân 14 ... tiết Các phương pháp phân tích khí CO Để phân tích khí dùng nhiều phương pháp khác nhau, co thể phân thành nhóm: - Phân tích hóa học Phân tích điện Phân tích quang phổ Phương pháp phân tích hóa... Sơ lược carbon monoxide Các phương pháp phân tích khí CO 2.1 Phương pháp phân tích điện 2.1.1 Phân tích theo độ dẫn nhiệt khí 2.1.2 Phân tích theo... cơng 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 hấp thụ xạ ánh sáng … chất khí cần phân tích 2.1.1 Phân tích theo độ dẫn