федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Кафедра Экологии и техносферной безопасности

 

РЕФЕРАТ

Хемилюминесцентный метод контроля газовых компонентов

Автор:

Роменский А.В

romenskiy_al@mail.ru

Факультет НЭ

Группа W4150

Преподаватель:

Белобородов В.В.

 

 

 

Содержание

1.Введение

2. Хемилюминесценция, понятия и виды

3. Приборы

4. Список литературы

 

 

 

 

1.Введение

 

Проблема эффективного контроля и защиты окружающей среды от загрязнений приобрела чрезвычайную актуальность. Основной причиной интенсивного загрязнения воздушного и водного бассейнов является противоречие между быстро растущим объемом производства во всех областях мировой экономики и медленным внедрением новой прогрессивной технологии, эффективных очистных установок и средств контроля загрязнений окружающей среды.

Загрязнение воздуха и водного бассейна на предприятиях, где используются химико-технологические процессы, связано в основном с выделениями и выбросами вредных веществ из оборудования, плохой работой очистных установок, фикального хозяйства и сжиганием топлив (газа, мазута) в огневых нагревателях химико-технологических процессов.

В нефтехимическом производстве наиболее типичными загрязнителями воздушного бассейна являются: сероводород, диоксид серы, оксид углерода, диоксид углерода, углеводороды, оксиды азота, сажа и др. Гамма веществ, являющихся загрязнителями водного бассейна, весьма разнообразна и зависит в основном от используемых в конкретном процессе реагентов и сырья.

Успешное решение проблемы охраны окружающей среды возможно только при наличии средств, обеспечивающих получение информации о загрязнениях воздушного и водного бассейнов. В настоящее время многие фирмы, научно-исследовательские и конструкторские организации в нашей стране и за рубежом разрабатывают и выпускают различные средства контроля загрязнений окружающей среды.

 

 

 

 

 

       2.Хемилюминесценция, понятия и виды

 

Хемилюминесцентные методы анализа являются частным случаем люминесцентных методов анализа, которые основаны на измерении испускаемого молекулами света при переходе из возбужденного в основное состояние. Явление люминесценции включает в себя два типа испускания фотонов: при излучательном переходе в основное состояние из возбужденного синглетного состояния (флуоресценция) и из возбужденного триплетного состояния (фосфоресценция).

В аналитической практике чаще применяются методы с использованием флуоресценции. Если источником возбуждения люминесцирующей молекулы является химическая реакция, такой тип люминесценции называется хемилюминесценцией. Главным достоинством таких методов анализа является высокая чувствительность анализа, предел обнаружения аналита при этом может достигать пикограммов в литре. Хемилюминесцентные методы часто используют в совокупности с проточными методами анализа. Схема проточного анализа предполагает объединение всех стадий анализа в единую проточную линию - своего рода конвейер, на котором последовательно выполняются все операции, предусмотренные методикой анализа.

Таким образом, наряду с высокой чувствительностью мы получаем автоматизированную систему химического анализа, которая характеризуется высокой производительностью, воспроизводимостью результатов анализа, а также позволяет минимизировать расход пробы и растворов реагентов. Совокупность отмеченных достоинств привели к их широкому внедрению в аналитическую практику при анализе объектов в разных областях, таких как фармацевтика, клиническая практика, судебные экспертизы, пищевая промышленность, сельское хозяйство и экология окружающей среды.

В ходе химической реакции в излучение переходит энергия, не превышающая сумму энергий активации и теплового эффекта реакции. Прежде чем излучить эту энергию, молекула удерживает ее в виде внутренней энергии (энергия возбуждения). Процесс хемилюминесценции происходит в две стадии.

Стадия возбуждения – это образование в химической реакции богатых энергией частиц (продукта реакции) Р в том состоянии (Р*), из которого возможен излучательный переход

A+ B®P* + K+ M(I)

гдеA и B – исходные реагенты;P* - возбужденный продукт; K, M – другиепродукты реакции.

Вторая стадия люминесценции – переход возбужденных молекулP*  в нормальное состояниеР с излучением фотона:

P* ®P+ hn.      (II)

Более подробно хемилюминесцентную реакцию можно записать следующим образом:

A+ B P*  - образование возбужденной частицы; (I)

P *  P + hn         - люминесценция;        (II)

P *  P        - безизлучательная дезактивация,           (III)

где ki – константа скорости возбуждающей реакции;kj– константа люминесценции; kd– константа скорости реакции при безизлучательном переходе.

Спектральная плотность потока излучения описывается следующим выражением:

Фn= kj[Р*] = h1h2ki[A][B],

где h1квантовый выход возбуждающей реакции;h2 - квантовый выход люминесценции;h2 =  .

От других видов люминесценции хемилюминесценция отличается только механизмом образования возбужденных частиц. Дальнейшее их поведение не зависит от механизма возбуждения. При этом дезактивация может происходить различными путями:

P* + M P + М   - тушение люминесценции частицей М;

P* + М ®P + М*        - перенос энергии на частицу;

P* + М ®P М   - химическое взаимодействие с частицей;

P*  P         - внутримолекулярный безизлучательный переход.

 

Анализу хемилюминесцентным  методом могут быть подвергнуты лишь газы, обладающие высокой химической активностью и энергетическим потенциалом, окислительно- восстановительным потенциалом, достаточным для того, чтобы в результате взаимодействия с вводимыми реагентами могли образоваться продукты реакции в электронно-возбужденном состоянии. Это такие вещества как озон (О3), оксиды азота (NO и NO2) и серы (SO2).

Реагент, с которым взаимодействует анализируемый газ, может находиться в газообразном состоянии (в этом случае процесс - гомогенный),  жидком и твердом (тогда процесс - гетерогенный, т.к. взаимодействующие вещества находятся в разном агрегатном состоянии).

 

Метод гомогенного хемилюминесцентного газового анализа имеет достаточную чувствительность и линейную зависимость потока излучения от содержания анализируемого газа. Однако он требует расходуемых источников газа-реагента, систем подготовки газовых смесей, что усложняет конструкцию прибора и его эксплуатацию, требует квалифицированного обслуживания.

Использование жидких реагентов также весьма нежелательно в приборах, предназначенных для широкого использования. От перечисленных недостатков свободны твердотельные гетерогенные хемилюминесцентные газоанализаторы с твердыми реагентами.

Реальный механизм  реакции оказывается много сложнее, чем описано выше, особенно, когда вводимый реагент - твердое вещество. Хемилюминесцентная композиция на основе галловой кислоты и одного из родаминов (Rh С, Rh 6-Ж) изначально не чувствительна к озону, т.е. в первые моменты воздействия на нее озона поток излучения хемилюминесценции практически равен нулю. Однако, под действием озона с течением времени наблюдается возрастание потока излучения хемилюминесценции и, соответственно, чувствительности. Такой процесс называется активировкой. После прекращения воздействия озона на датчик чувствительность, хотя и медленно, уменьшается, но не достигает нулевого уровня даже через несколько месяцев пребывания без контакта с озоном. Это указывает на то, что при взаимодействии исходного состава хемилюминесцентной композиции с озоном образуется сравнительно устойчивый промежуточный продукт, и уже его последующее взаимодействие с озоном сопровождается хемилюминесценцией. Имеются указания на то, что и в этом случае акту испускания кванта света предшествует сложный многостадийный процесс. Существует также мнение, что в твердотельной озончувствительной композиции реакции с озоном, ведущие в конечном итоге к хемилюминесценции, не могут быть сведены только к взаимодействию молекул, а следует говорить о реакции в слоях, где отдельные составляющие композиции образуют участки (слои), обладающие полупроводниковыми свойствами и имеющие разный тип проводимости. Контакт между такими участками подобен p-n-переходу, прохождение через который электронов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях с озоном, и сопровождается люминесценцией. Вообще, следует отметить, что реакции, происходящие на поверхности твердого тела, лишь в редких случаях могут быть описаны простой физико-химической моделью, сложны для исследования и требуют применения комплекса экспериментальных методов.

Чувствительный элемент, содержащий хемилюминесцентную композицию такого газоанализатора, представляет собой плоскую пористую таблетку диаметром около 20 мм, имеет длительный срок эксплуатации и хранения, чрезвычайно высокую чувствительность, недостижимую другими методами и ограниченную только чувствительностью фотоэлектрического преобразователя, высокое быстродействие, также недостижимое другими методами. Первичный преобразователь “содержание газа - электрический сигнал“ чрезвычайно прост в сравнении с другими методами.

Существенный недостаток - изменение чувствительности в процессе эксплуатации хемилюминесцентного элемента - не перекрывает достоинств метода. Разработка новых высокоэффективных хемилюминесцентных элементов, чувствительных к разным газам, дало начало производству целой серии компактных и дешевых приборов, не имеющих аналогов в мире.

 

Схема построения гетерогенных хемилюминесцентных

газоанализаторов

Структурная схема хемилюминесцентного газоанализатора чрезвычайно проста.

Рис. 1. Структурная схема хемилюминесцентного газоанализатора:

1 - заборный патрубок;  2 - ротаметр; 3 - газовый коммутатор;

 4 - фильтр-поглотитель; 5 - калибратор; 6 - реактор;  7 - насос;

 8 – приемник оптического излучения; 9 - усилитель;

10 - процессор; 11 - индикатор.

 

Анализируемый газ поступает в заборный патрубок прибора и через коммутатор попадает в хемилюминесцентный реактор 6 (рис. 1). Излучение хемилюминесценции при помощи приемника оптического излучения 8 преобразуется в электрический сигнал, усиливается в усилителе 9, преобразуется в цифровой код, подвергается функциональной обработке в процессоре 10, и результат высвечивается на табло индикатора 11. Для корректировки изменяющейся чувствительности датчика служит встроенный генератор стандартной массовой концентрации измеряемого газа (калибратор) 5. Блок 10 при подаче газа от калибратора устанавливает такие параметры преобразования электрического сигнала от приемника оптического излучения, чтобы показания индикатора соответствовали известной концентрации определяемого газа от калибратора. Тогда при измерении неизвестной концентрации индикатор будет показывать значения непосредственно в единицах массовой концентрации.

 

 

3.     Приборы

 

Хемилюминесцентный анализатор озона в атмосферном воздухе (3.02 П-А)

 

Рис.2 Хемилюминесцентный анализатор озона в атмосферном воздухе (3.02 П-А)

Газоанализатор озона 3.02 П-А прошел экспертизу в уполномоченной организации при Агентстве по охране окружающей среды США (EPA) и одобрен EPA в качестве средства измерения озона для задач атмосферного мониторинга.

Область применения

Метеорология
Экология
Охрана окружающей среды
Газоанализатор может применяться в передвижных и стационарных лабораториях для контроля состава атмосферы

Назначение

Газоанализатор предназначен для непрерывного фонового мониторинга атмосферного воздуха.

Принцип действия

Газоанализатор представляет собой газовый компаратор, обеспечивающий высокую линейность функции преобразования сигнала. Компарирование осуществляется между образцовой газовой смесью от калибратора и анализируемым газом. В основу работы анализатора 3-02П-А положен эффект гетерогенной хемилюминесценции, возникающей в результате реакции озона с окисляемыми химическими веществами композиции. Интенсивность свечения композиции пропорциональна концентрации озона в газовой смеси, измеряется и преобразуется в цифровой сигнал, отображаемый на мониторе анализатора. Поступление анализируемой пробы газа в хемилюминесцентный реактор обеспечивается встроенным микронасосом.

Селективность

Предельные значения концентрации неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой смеси должны быть следующими:

  • Cl2 не более 1,0 мг/м3
  • Н2S не более 0,5 мг/м3
  • СО не более 50,0 мг/м3
  • NO2 не более 0,5 мг/м3
  • SO2 не более 0,5 мг/м3
  • атмосферная пыль не более 5 мг/м3

Отличительные особенности прибора

В газоанализаторе установлены разъемы последовательных портов RS-232 и RS-485, токовый аналоговый выход 0-5мА (4-20мА), а также с помощью нормально разомкнутых контактов реле управления возможно подключение простейших устройств мощностью до 3 Вт. В приборе имеется встроенный насос, встроенный держатель аэрозольных фильтров.

Градуировка прибора производится 1 раз в 6 месяцев.

Межповерочный интервал 1 год.

Технические характеристики

Диапазон измеряемых концентраций озона

0 - 0.5 мг/м3

Номинальная цена единицы наименьшего разряда индикатора

0.001 мг/м3

Предел основной погрешности измерений

 

приведенная

± 20% 0 – 0.03 мг/м3

основной

± 20% 0.03 – 0.5 мг/м3

Выходной аналоговый токовый сигнал

0 - 5,0 мА или 4 - 20 мА

Выходной цифровой сигнал

RS-232, RS-485

Потребляемая мощность

50 Вт

Напряжение питания

220В, 50 Гц

Габариты размеры

482х405х132 мм

Вес

8 кг

 

Блок-схема газоанализатора

 

 

Условия эксплуатации

Температура

+10...+35оС

Давление

630 — 800 мм рт.ст.

Влажность

до 98% без конденсации влаги

Объемный расход

1,8± 0,2 л/мин

 

 

 

Хемилюминесцентный анализатор NO, NO2 и NH3 H-105

Рис.3 Хемилюминесцентный анализатор NO, NO2 и NH3 H-105

Область применения:

  Газоанализатор может применяться в передвижных и стационарных лабораториях для контроля качества атмосферного воздуха.

Назначение:

  Газоанализатор представляет собой стационарный автоматический показывающий прибор непрерывного действия, предназначенный для измерения массовой концентрации и объемной доли аммиака, оксида и диоксида азота в атмосферном воздухе.

Принцип действия:

 Газофазная хемилюминесценция (референтный метод).

Сервисные возможности прибора:

  Встроенный побудитель расхода. Непрерывный вывод информации по каналам RS-232, RS-485 и токовому аналоговому выходу 0–5 (4–20) мА. оснащен встроенным держателем для аэрозольных фильтров. Прибор осуществляет сбор данных, их усреднение и запись в энергонезависимую память прибора. В таком режиме прибор способен записать данные за 1024 суток.

Технические характеристики

Диапазон измеряемых концентраций  NO, NO2

0 - 4 мг/м3

NH3

0 - 2 мг/м3

Номинальная цена единицы наименьшего разряда индикатора

0,0001 мг/м3

Предел основной погрешности измерений

 

приведенной NH3

± 20% 0-0,04 мг/м3

приведенной NO, NO2

± 20% 0-0,04мг/м3

относительной NH3

± 20% 0,04-2 мг/м3

относительной NO, NO2

± 20% 0,04-4 мг/м3

Средний срок службы*

6 лет

Выходной аналоговый токовый сигнал

0 - 5,0 мА или 4 - 20 мА

Потребляемая мощность:

500 Вт

Напряжение питания

230В, 50 Гц

Габаритные размеры:

 

измерительный блок

482x570х132 мм

конвертор

482x570х132 мм

Масса, не более

22 кг (2 блока)

Условия эксплуатации

Температура

+5...+40оС

Давление

630 — 800 мм рт.ст.

Влажность

до 98%

Объемный расход

0,7± 0,3 дм3/мин

 

 

 

 

 

4.     Список литературы

1.  Кустикова М.А., Мешалкина В.В., Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н. Методические указания к лабораторным работам по разделу "Оптико-электронные газоанализаторы" курса "Экологический мониторинг". - СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2003. - 139

2. http://www.analitech.ru/

3. http://www.chemport.ru/

4. http://www.optec.ru/