Мельник Ольга Василівна
магістрантка
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»,
Україна, м. Київ
Морозова Марія Миколаївна,
кандидат технічних наук
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»,
Україна, м. Київ
Анотація: у статті розглянуто існуючі методи газового аналізу, проаналізовано принципи вимірювання щодо допустимих рівнів вмісту визначального компонента газу.
Ключові слова: газ, газова суміш, газовий аналіз, вимірювання.
Насьогодні, у зв'язку з погіршенням екологічної ситуації, а також із частими витоками вибухонебезпечних газів існує практична необхідність в створенні продуктивних, точних і дешевих сенсорів для виявлення і вимірювання гранично допустимої концентрації канцерогенів.
Основними компонентами викидів промислових підприємств є CO, CO2, SO2, NO, NO2, NOx, вуглеводні. Крім цих компонентів для нормування викидів часто необхідно також визначати компоненти O2 і H2O.
Газовим аналізом називають якісне виявлення і кількісне визначення компонентів газових сумішей, що проводяться за допомогою спеціальних газоаналізаторів або лабораторними методами.
В основному методи газового аналізу основані на вимірюванні фізичних властивостей і характеристик середовища (таких як електрична провідність, теплопровідність, оптична щільність, коефіцієнт розсіювання і т.д), значення яких залежать від концентрацій визначених компонентів. Існують вибіркові та невибіркові методи вимірювання. У невибіркових методах проводиться вимірювання властивостей проби (наприклад, щільності або теплопровідності), що залежать від відносного вмісту всіх компонентів проби. Тому такі методи можуть застосовуватися для аналізу бінарних і псевдобінарних газових сумішей, в яких варіюється вміст тільки визначального компонента, а співвідношення концентрацій інших компонентів не змінюється. У вибіркових методах властивість проби, яку вимірюють, залежить переважного від вмісту визначального компонента.
За характером фізичного параметра, який вимірюється, методи газового аналізу можна поділити на механічні, акустичні, теплові, магнітні, оптичні, іонізаційні, мас-спектрометричні, електрохімічні, напівпровідникові [1].
Серед механічних методів можна виділити волюмоманометричний метод, принцип якого полягає у вимірюванні об'єму або тиску газової проби після хімічного впливу на неї через послідовне поглинання компонентів аналізованого газу відповідними реактивами в поглинальних посудинах. Мінімальні концентрації (МК), які можна визначити від 0,001 до 0,01%. Ще одним механічним методом є пневматичний метод (аеростатичний і аеродинамічний). Аеростатичним вимірюють щільність газової суміші, а аеродинамічним - залежні від щільності і в'язкості параметри таких процесів, як зниження тиску газових потоків, взаємодія струменів, вихроперетворення і т.д. Ці методи застосовують для аналізу бінарних і псевдобінарних сумішей, наприклад, для визначення Н2 в повітрі, Н2 в етилену, СО2 в інертних газах і т.д. МК методу від 0,01 до 0,1%.
Акустичними методами вимірюють поглинання або швидкість поширення звукових і ультразвукових хвиль в газовій суміші. Методи застосовуються для визначення СН4, О2, Н2 в бінарних та псевдобінарних сумішах. МК методу від 0,001 до 0,1%.
Теплові методи базуються на вимірюванні теплопровідності газової суміші (термокондуктометричний метод) або на вимірюванні теплового ефекту радіації за участю компонента, який визначається (термохімічний метод). Термокондуктометричним методом знаходять вміст, наприклад, Не, СО2, Н2, СН4 в бінарних та псевдобінарних сумішах (МК від 0,01 до 0,1%). Термохімічний метод використовують для визначення СО, СН4, О2, Н2, контролю в повітрі вибухонебезпечних і пожежонебезпечних домішок (сумішей газоподібних вуглеводнів, парів бензину і т.д.). Кількість виділеного тепла, пропорційне концентрації СН4, за допомогою терморезисторів перетворюють в електричний сигнал. МК даного методу від 0,001 до 0,01%.
У магнітних методах вимірюють фізичні характеристики газу, обумовлені магнітними властивостями компонента в магнітному полі. Завдяки цим методам можна контролювати вміст О2, який відрізняється аномально великою парамагнітною сприйнятливістю. МК методу від 0,01 до 0,1%.
В оптичних методах вимірюють оптичну щільність (методи абсорбції), інтенсивність випромінювання (емісійні методи), коефіцієнт заломлення (рефрактометричний). Методи абсорбації, що засновані на вимірі селективного поглинання ІЧ, УФ або видимого випромінювання контрольованим компонентом, застосовують, наприклад, для вибіркового визначення NO2, О3, H2S, SO2, CS2, формальдегіду, парів Hg, Na, Pb та інших. МК методу від 0,00001 до 0,01%.
Оптико-акустичний метод полягає у визначенні пульсації тиску газу в приймачі випромінювання при поглинанні потоку випромінювання, який пройшов через аналізований газ. За допомогою цього методу можна визначати СО, СО2, СН4, NH3, SO2 та органічні сполуки. МК методу від 0,001 до 0,01%.
Використовуючи фотоколориметричний оптичний метод попередньо проводять кольорову реакцію контрольованого компонента з відповідним реагентом в газовій фазі, в індикаторному реакторі або на поверхні твердого носія і вимірюють інтенсивність забарвлення продуктів реакції. Метод застосовують також для вибіркового визначення оксидів азоту, СО, CS2, NH3, ацетилену, фосгену, формальдегіду та ін. МК методу від 0,000001 до 0,001%.
В емісійних оптичних методах вимірюють інтенсивність випромінювання визначених компонентів. Випромінювання можна отримати електричним розрядом (МК методу від 0,0001 до 0,1%), полум'ям, світлом та іншими джерелами (при використанні лазера МК досягає 0,0000001 до 0,000001%). Ці методи застосовують для кількісного визначення елементів і сполук.
У хемілюмінесцентному методі вимірюють інтенсивність люмінесценції, що супроводжує деякі хімічні реакції в газах. Метод застосовують, зокрема, для визначення О3 і оксидів азоту. Наприклад, визначення NO засноване на його окисленні озоном. МК методу від 0,000001 до 0,0001%.
Оптичні методи, що базуються на розсіюванні світла, застосовуються при дистанційному контролі чистоти атмосфери для визначення шкідливих домішок - органічних сполук, оксидів азоту, сірки, вуглецю і т.д. МК методу від 0,000001 до 0,1%.
Рефрактометричний метод використовується для визначення СО2, СН4, ацетилену, SO2, в бінарних та псевдобінарних сумішах. МК методу близько 0,01%. Інтерферометричний оптичний метод заснований на вимірюванні зсуву інтерференційних смуг в результаті зміни оптичної щільності газової суміші при зміні концентрації визначального компонента. Даний метод використовується для визначення СО2 і СН4 в повітрі. МК методу близько 0,01%.
Іонізаційним методом виміюють електричну провідність іонізованих газових сумішей. Іонізацію здійснюють радіоактивним випромінюванням, електричним розрядом, полум'ям, УФ-випромінюванням, на нагрітій каталітично активній поверхні. Метод іонізації органічних сполук у водневому полум'ї, застосовують для визначення органічних домішок в бінарних газових сумішах і повітрі (МК методу близько 0,00001%).
Мас-спектрометричні методи, за допомогою яких вимірюють маси іонізованих компонентів аналізованого газу, застосовують для визначення інертних газів, О2, Н2, оксидів вуглецю, азоту і сірки, а також неорганічних., органічних і металоорганічних летючих сполук. МК методу від 0,00001 до 0,001%.
Електрохімічними методами вимірюють параметри системи, що складається з рідкого або твердого електроліту, електродів і визначального компонента газової суміші або складу його реакції з електролітом. Потенціометричний метод заснований на залежності потенціалу індикаторного електрода від концентрації іона, отриманого при розчиненні в розчині визначального компонента. Амперометричний метод базується на залежності між струмом і кількістю визначального компонента, що вступив у реакцію, на індикаторному електроді. Кондуктометричний метод заснований на вимірюванні електропровідності розчинів при поглинанні ними газової суміші компонентом, що визначається. За допомогою електрохімічних методів вимірюють вміст домішок O2, CO, NO, NO2, SO2, H2S, H2, NH3, O3 та ін. МК даних методів від 0,000001 до 0,0001%.
У напівпровідникових методах вимірюють опір напівпровідника (плівки або монокристала), що взаємодіє з визначальним компонентом газової суміші. Дані методи застосовують для вимірювання вмісту Н2, метану, пропану, О2, оксидів вуглецю та азоту та ін. МК становить від 0,00001 до 0,001%.
Розроблено газоаналізатори стаціонарного, портативного та переносного типів, які можуть бути змонтовані на різних об'єктах, у тому числі і конструктивно складних. Мініатюрність розроблених приладів не вимагає проведення будь-яких спеціальних робіт для їх установки.
Прилади, як і газоаналітичні системи, можуть бути інтегровані в існуючі локальні мережі і системи сповіщення [2]. Схемотехнічні рішення забезпечують організацію бездротового зв'язку як з оператором, так і з централізованим пунктом управління об'єктом.
Висновки. Важливою частиною газоаналітичних систем і приладів є система пробовідбору і пробопідготовки, апаратурне оформлення якої залежить від конкретного завдання аналізу та використовуваного методу газового аналізу. Перспективність і доцільність застосування газоаналітичних систем забезпечуються високими технічними, аналітичними і метрологічними характеристиками складових газоаналітичної системи.
Література:
1. Газовый анализ, принципы и методы измерений (Електронний ресурс) - Режим доступу: http://www.analitech.ru.
2. Черемисина О.В. Современные методы аналитического контроля промышленных газов / О.В. Черемисина, С.З. Эль-Салим // Записки Горного института. - 2017. - Т. 228. - С. 726–730.
