Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 5310900 «Метрология, стандартизация и менеджмент качества продукции»

4.2. Gazlarning tarkibi va xossalarini tahlil qilish usullari va asboblari tasnifi
Gazni tahlil qilish
Gaz analizatori - gaz aralashmalarining sifat va miqdoriy tarkibini aniqlash uchun analizator. Qo'lda va avtomatik gaz analizatorlarini farqlang. Birinchisi orasida gaz aralashmasining tarkibiy qismlari ketma-ket ravishda turli reagentlar tomonidan so'rilib ketadigan yutilish gaz analizatorlari eng keng tarqalgan. Avtomatik gaz analizatorlari gaz aralashmasi yoki uning alohida komponentlarining har qanday fizik yoki fizik-kimyoviy xususiyatlarini doimiy ravishda o'lchaydi.
Bu gaz aralashmalarining tarkibiy qismlarini sifatli aniqlash va miqdorni aniqlashdir. Gazni tahlil qilish laboratoriya usullari bo'yicha ham, maxsus gaz analizatorlari yordamida ham amalga oshirilishi mumkin. Qoida tariqasida, gazni tahlil qilish usullari muhitning fizik parametrlari va xususiyatlarini o'lchashga asoslanadi (masalan, elektr o'tkazuvchanligi, magnit sezgirlik, issiqlik o'tkazuvchanligi, optik zichlik, tarqalish koeffitsienti va boshqalar), ularning qiymatlari bog'liq. aniqlangan komponentlarning kontsentratsiyasi bo'yicha. Tanlangan va tanlanmagan o'lchash usullari mavjud. Tanlanmagan usullar namunadagi barcha komponentlarning nisbiy tarkibiga bog'liq bo'lgan namunaning xususiyatlarini (masalan, zichlik yoki issiqlik o'tkazuvchanligini) o'lchaydi. Shuning uchun bunday usullardan ikkilik va psevdobinar gaz aralashmalarini tahlil qilish uchun foydalanish mumkin, bunda faqat aniqlangan komponentning tarkibi o'zgaradi va qolgan komponentlarning kontsentratsiyasi nisbati o'zgarmaydi. Tanlangan usullarda namunaning o'lchanadigan xususiyati asosan tahlil qilinadigan moddaning tarkibiga bog'liq.
Asosiy usullar
O'lchanadigan fizik parametrning tabiati bo'yicha gazni tahlil qilish usullarini mexanik, akustik, termal, magnit, optik, ionlash, massa spektrometrik, elektrokimyoviy, yarim o'tkazgichlarga bo'lish mumkin.
Mexanik usullar gaz namunasiga kimyoviy ta'sir o'tkazgandan so'ng uning hajmini yoki bosimini o'lchashga asoslangan hajmli usulni o'z ichiga oladi, bu, masalan, tahlil qilinadigan gazning tarkibiy qismlarini assimilyatsiya idishlarida mos reagentlar tomonidan ketma-ket singdirishdan iborat bo'lishi mumkin. Aniqlanadigan minimal konsentratsiyalar (MOC) 0,001 dan 0,01% gacha.
Mexanik usullarga pnevmatik usul ham kiradi (aerostatik va aerodinamik). Birinchi holda, gaz aralashmasining zichligi o'lchanadi, ikkinchidan, drossel gaz oqimlari, oqimlarning o'zaro ta'siri, girdob hosil bo'lishi va boshqalar kabi jarayonlarning parametrlari zichlik va yopishqoqlikka bog'liq. Bu usullar, masalan, ikkilik va psevdo-binar aralashmalarni tahlil qilish uchun ishlatiladi. havoda H2, etilenda H2, inert gazlarda CO2, H2da C12 va boshqalarni aniqlash uchun. Usulning MOQ 0,01 dan 0,1% gacha.
Akustik usullar gaz aralashmasidagi tovush va ultratovush to'lqinlarining yutilish yoki tarqalish tezligini o'lchashga asoslangan. Usullar selektiv emas va, xususan, ikkilik va psevdobinar aralashmalarda CH4, O2, H2 ni aniqlash uchun ishlatiladi. Usulning MOQ 0,001 dan 0,1% gacha.
Issiqlik usullari gaz aralashmasining issiqlik o'tkazuvchanligini (termokonduktometrik usul) yoki tahlil qiluvchi - (termokimyoviy usul) ishtirokida nurlanishning issiqlik ta'sirini o'lchashga asoslangan. Termokonduktometrik usul, masalan, He, CO2, H2, CH4 ikkilik va psevdobinar aralashmalarda (MOK 0,01 dan 0,1% gacha) tarkibini topish uchun ishlatiladi. Termokimyoviy usul CO, CH4, selektiv aniqlash uchun ishlatiladi. O2, H2, havodagi portlovchi va yonuvchi aralashmalar (gazsimon uglevodorodlar aralashmalari, benzin bug'lari va boshqalar)da nazorat qilish.Masalan, metanni aniqlashda u katalizator ishtirokida yondiriladi (faol Al2O3 bo'yicha Pt va Pd). CH4 konsentratsiyasiga mutanosib bo'lgan issiqlik miqdori MOK usulida 0,001 dan 0,01% gacha qayd etilgan elektr signaliga aylanadi.
Magnit usullar magnit maydonda aniqlanayotgan komponentning magnit xususiyatlari tufayli gazning fizik xususiyatlarini o'lchaydi. Ularning yordami bilan O2 ning tarkibi nazorat qilinadi, bu g'ayritabiiy yuqori paramagnit sezuvchanlik bilan tavsiflanadi. Eng keng tarqalgan termomagnit usul O2 ning paramagnit sezgirligining harorat gradienti sharoitida magnit maydon ta'sirida uning konsentratsiyasiga bog'liqligiga asoslangan. Usulning MOQ 0,01 dan 0,1% gacha.
Optik usullar optik zichlikni (yutilish usullari), nurlanish intensivligini (emissiya usullari), sinishi indeksini (refraktometriya) o'lchaydi. Boshqariladigan komponent tomonidan IR, UV yoki ko'rinadigan nurlanishning tanlab yutilishini o'lchashga asoslangan yutilish usullari, masalan, NO2, O3, H2S, SO2, CS2, formaldegid, fosgen, Cl2, Hg, Na, selektiv aniqlash uchun, Pb bug'lari va boshqalar. Usulning MOQ 0,00001 dan 0,01% gacha. Optika-akustik usul keng tarqalgan bo'lib, tahlil qilinayotgan gazdan o'tgan intervalgacha nurlanish oqimini yutganda radiatsiya qabul qilgichdagi gaz bosimining pulsatsiyasiga asoslangan. Usul CO, CO2, CH4, NH3, SO2, bir qator organik birikmalarni aniqlash imkonini beradi. Usulning MOQ 0,001 dan 0,01% gacha. Absorbsion usullarda nurlanish manbalari cho'g'lanma lampalar, simob, vodorod, simob-kadmiy, kadmiy, nikromli spirallardir.
Fotokolorimetrik optik usul oldindan gaz fazasida, indikator reaktorida yoki qattiq tashuvchining yuzasida (lenta, planshet, kukun shaklida) va rangdagi mos reagent bilan boshqariladigan komponentning rang reaktsiyasini amalga oshiradi. reaksiya mahsulotlarining intensivligi o'lchanadi. Usul azot oksidlari, CO, CS2, NH3, asetilen, fosgen, formaldegid va boshqalarni tanlab aniqlash uchun ham qo'llaniladi.XOQ usuli 0,000001 dan 0,001% gacha.
Emissiya optik usullarida aniqlangan komponentlarning nurlanish intensivligi o'lchanadi. Radiatsiyani elektr razryad (MOF usuli 0,0001 dan 0,1% gacha), olov, yorug'lik va boshqa manbalar (lazerdan foydalanganda MOF 0,0000001 dan 0,000001% gacha) qo'zg'atishi mumkin. Bu usullar turli elementlar va birikmalarning miqdorini aniqlash uchun ishlatiladi.
Xemiluminesans usulida ba'zi kimyoviy moddalar bilan birga keladigan luminesansning intensivligi o'lchanadi. gazlardagi reaktsiyalar. Usul, xususan, O3 va azot oksidlarini aniqlash uchun ishlatiladi. Masalan, NO ning ta'rifi uning ozon bilan oksidlanishiga asoslanadi. MOQ usuli 0,000001 dan 0,0001% gacha.
Lazer texnologiyasi tufayli yorug'likning tarqalishiga asoslangan optik usullar ishlab chiqilgan. Ular, xususan, asosan zararli aralashmalarni - organik birikmalar, azot oksidi, oltingugurt, uglerod va boshqalarni aniqlash uchun atmosfera tozaligini masofadan kuzatish uchun ishlatiladi. MOQ usuli 0,000001 dan 0,1% gacha.
Ikkilik va psevdobinar aralashmalarda CO2, CH4, asetilen, SO2 va boshqalarni aniqlash uchun refraktometrik usul qo'llaniladi. Usulning MOQ taxminan 0,01% ni tashkil qiladi. Interferometrik optik usul gaz aralashmasining optik zichligining o'zgarishi natijasida tahlil qilinadigan moddaning konsentratsiyasining o'zgarishi natijasida interferentsiya chekkalarining siljishini o'lchashga asoslangan. U, masalan, havodagi CO2 va CH4 ni aniqlash uchun ishlatiladi. Usulning MOQ taxminan 0,01% ni tashkil qiladi.
Ionlash usullari ionlangan gaz aralashmalarining elektr o'tkazuvchanligini o'lchashga asoslangan. Ionizatsiya radioaktiv nurlanish, elektr razryad, olov, UV nurlanishi, isitiladigan katalitik faol sirtda amalga oshiriladi. Masalan, H2 - N2, N2 - CO2 kabi ikkilik aralashmalarni, shuningdek, ba'zi uglevodorodlarni tahlil qilish uchun radioaktiv nurlanish bilan gazlarni ionlash uchun kesmalardagi farqni o'lchashga asoslangan usul qo'llaniladi (usulning MOF taxminan). 0,01%). Vodorod alangasida organik birikmalarning ionlanishiga asoslangan usul binar gaz aralashmalari va havodagi organik aralashmalarni aniqlash uchun qo'llaniladi (usulning MOC taxminan 0,00001% ni tashkil qiladi).
Inert gazlar, O2, H2, uglerod oksidlari, azot va oltingugurt, shuningdek noorganik, organik va metallorganik uchuvchi birikmalarni aniqlash uchun tahlil qilinayotgan gazning ionlangan komponentlarining massalarini o'lchashga asoslangan massa spektrometrik usullar qo'llaniladi. Usulning MOQ 0,00001 dan 0,001% gacha.
Elektrokimyoviy usullarda suyuq yoki qattiq elektrolitlar, elektrodlar va gaz aralashmasining tarkibiy qismi yoki uning elektrolitlar bilan reaktsiyasi mahsulotlaridan tashkil topgan tizimning parametrlari o'lchanadi. Shunday qilib, potentsiometrik usul indikator elektrod potentsialining tahlil qilinadigan moddani eritmada eritish natijasida olingan ion konsentratsiyasiga bog'liqligiga asoslanadi; amperometrik - indikator elektrodida reaksiyaga kirishgan aniqlangan komponentning oqimi va miqdori o'rtasidagi munosabat bo'yicha; konduktometrik - gaz aralashmasining belgilangan komponentini o'zlashtirganda eritmalarning elektr o'tkazuvchanligini o'lchash bo'yicha. Elektrokimyoviy usullar bilan O2, CO, NO, NO2, SO2, H2S, H2, C12, NH3, O3 va boshqa aralashmalar miqdori o'lchanadi.MOC usuli 0,000001 dan 0,0001% gacha.
Yarimo'tkazgichli usullarda gaz aralashmasining aniqlangan komponenti bilan o'zaro ta'sir qiluvchi yarimo'tkazgichning (plyonka yoki monokristal) qarshiligi o'lchanadi. usullari H2, metan, propan, O2, uglerod va azot oksidi, galogen o'z ichiga birikmalar, va hokazo MOC usuli 0,00001 dan 0,001% mazmunini o'lchash uchun ishlatiladi.
Gazni tahlil qilish usullari orasida ba'zan kombinatsiyalangan deb ataladigan usullar ajralib turadi. Bularga namunani dastlabki o'zgartirish usullarida (xromatografiya, izotopik suyultirish) farq qiluvchi usullar kiradi, ular turli fizik parametrlarni o'lchash bilan birlashtirilishi mumkin, shuningdek, ko'p o'zgaruvchan hisoblash usuli.
Gazni tahlil qilishning xromatografik usullarida tahlil qilinadigan aralashmaning ajralishi sorbent qatlami bo'ylab harakat qilganda sodir bo'ladi. Eng tez-tez qo'llaniladigan rivojlanish varianti bo'lib, unda tekshirilayotgan gaz sorbent qatlami orqali tashuvchi gaz oqimi orqali tashiladi, u tahlil qilinadigan gaz aralashmasining har qanday tarkibiy qismlaridan yomonroq sorblanadi. Tashuvchi gazdagi ajratilgan komponentlarning kontsentratsiyasini o'lchash uchun turli detektorlar qo'llaniladi. Xromatografik usullar 0,0001 dan 0,01% gacha bo'lgan IOC usuli bilan organik va noorganik komponentlarning keng spektrini tahlil qilishni ta'minlaydi. Xromatografik ajratishning oldingi bilan birikmasi. Aniqlangan komponentlarning kontsentratsiyasi (kriogen adsorbsiya, diffuziya va boshqalar) MOF qiymatlarini usulga 0,0000001 dan 0,000001% gacha kamaytirishga imkon beradi.
Izotopik suyultirish usulida tahlil qilinayotgan namunaga analitning radioaktiv yoki ko'pincha barqaror izotoplari kiritiladi va keyin qo'shimcha bilan birga namunadan ajratib olinadi. Radioaktiv izotopda komponentning konsentratsiyasi ajratilgan komponentning solishtirma radioaktivligidan, barqaror izotoplarda esa uning izotopik tarkibini massa-spektrometrik yoki spektral tahlil natijalaridan hisoblanadi. Analit va radioaktiv reagent o'rtasidagi reaksiyaga asoslangan usul ham qo'llaniladi. Olingan birikma ajratib olinadi, uning o'ziga xos faolligi o'lchanadi, uning qiymati tahlil qilinadigan moddaning konsentratsiyasini topish uchun ishlatiladi. Izotopik suyultirish usullari aralashmalar O2, N2, H2, uglerod va azot oksidi, CH4, C12 va boshqalar tarkibini o'lchash 0,0000001 dan 0,1% gacha usuli dan MOQ .. Ko'p parametrli hisoblash usuli bir qator qo'shma o'lchashga asoslangan. Sifat tarkibi ma'lum bo'lgan aralashmaning fizik parametrlari va o'lchangan parametrlarning aniqlangan komponentlar kontsentratsiyasi bilan bog'liqligini tavsiflovchi tenglamalar kompyuter tizimi yordamida eritma ustida. Bir vaqtning o'zida, masalan, turli to'lqin uzunliklarida muhitning optik zichligini, har xil isitish haroratiga ega bo'lgan katalitik faol sirtlarda gazlar va bug'larni ionlash samaradorligini va boshqalarni o'lchash mumkin.
Ishlash printsipiga ko'ra, avtomatik gaz analizatorlarini 3 guruhga bo'lish mumkin:
1. Tahlilning fizik usullariga, shu jumladan yordamchi kimyoviy reaksiyalarga asoslangan qurilmalar. Hajmi-manometrik yoki kimyoviy deb ataladigan bunday gaz analizatorlari yordamida ular gaz aralashmasining alohida tarkibiy qismlarining kimyoviy reaktsiyalari natijasida uning hajmi yoki bosimining o'zgarishini aniqlaydi.
2. Yordamchi fizik-kimyoviy jarayonlarni (termokimyoviy, elektrokimyoviy, fotoionlash, fotokolorimetrik, xromatografik va boshqalarni) o'z ichiga olgan tahlilning fizik usullariga asoslangan qurilmalar. Gazning katalitik oksidlanish (yonish) reaktsiyasining issiqlik ta'sirini o'lchashga asoslangan termokimyoviylar asosan yonuvchan gazlarning kontsentratsiyasini aniqlash uchun ishlatiladi (masalan, havodagi uglerod oksidining xavfli kontsentratsiyasi). Elektrokimyoviylar aralashmadagi gaz kontsentratsiyasini ushbu gazni o'ziga singdirgan eritmaning elektr o'tkazuvchanligining qiymati bo'yicha aniqlashga imkon beradi. Vakuumli ultrabinafsha (VUV) nurlanish manbai - VUV lampasi tomonidan chiqarilgan fotonlar tomonidan gazlar va bug'lar molekulalarining ionlanishi natijasida hosil bo'lgan oqimni o'lchashga asoslangan foto ionlash. Ayrim moddalarning gaz aralashmasining tahlil qilinuvchi komponenti bilan reaksiyasi davomida rangi oʻzgarishiga asoslangan fotokolorimetrik, asosan, gaz aralashmalaridagi zaharli aralashmalarning mikrokonsentratsiyasini oʻlchash uchun qoʻllaniladi - vodorod sulfidi, azot oksidi va boshqalar. Xromatografiklardan eng koʻp foydalaniladi. gazsimon uglevodorodlar aralashmalarini tahlil qilish uchun.
3. Sof fizik tahlil usullariga asoslangan qurilmalar (termokonduktometrik, densimetrik, magnit, optik va boshqalar).
Gazlarning issiqlik o'tkazuvchanligini o'lchashga asoslangan issiqlik o'tkazuvchanligi ikki komponentli aralashmalarni (yoki faqat bitta komponentning kontsentratsiyasi o'zgarishi sharti bilan ko'p komponentli) tahlil qilish imkonini beradi. Densimetrik gaz analizatorlari yordamida gaz aralashmasining zichligini o'lchash asosida zichligi toza havo zichligidan 1,5 barobar ko'p bo'lgan karbonat angidrid miqdori aniqlanadi. Magnit gaz analizatorlari asosan yuqori magnit sezgirlikka ega bo'lgan kislorod konsentratsiyasini aniqlash uchun ishlatiladi. Optik gaz analizatorlari gaz aralashmasining optik zichligini, yutilish spektrlarini yoki emissiya spektrlarini o'lchashga asoslangan. Ultrabinafsha gaz analizatorlari yordamida gaz aralashmalaridagi galogenlar, simob bug'lari va ba'zi organik birikmalarning miqdori aniqlanadi.
Hozirgi vaqtda oxirgi ikki guruhdan eng keng tarqalgan qurilmalar, ya'ni elektrokimyoviy va optik gaz analizatorlari. Bunday qurilmalar real vaqt rejimida gazlar kontsentratsiyasini kuzatish imkoniyatiga ega.
Barcha gazni tahlil qilish qurilmalari ham tasniflanishi mumkin:
funksionallik bo'yicha (ko'rsatkichlar, oqish detektorlari, signalizatsiya, gaz analizatorlari);
dizayn bo'yicha (statsionar, ko'chma, ko'chma);
o'lchangan komponentlar soni bo'yicha (bir komponentli va ko'p komponentli);
o'lchash kanallari soni bo'yicha (bir kanalli va ko'p kanalli);
belgilangan maqsadda (ishlarning xavfsizligini ta'minlash, texnologik jarayonlarni nazorat qilish, sanoat chiqindilarini nazorat qilish, avtomobillardan chiqindi gazlarni nazorat qilish, atrof-muhitni nazorat qilish uchun).
Shu bilan birga, shunday qurilmalar mavjudki, ular o'zlarining noyob dizayni va dasturiy ta'minoti tufayli olingan ma'lumotlarni xotiraga yozib olish bilan birga, bir vaqtning o'zida gaz aralashmasining bir nechta komponentlarini real vaqt rejimida tahlil qilish imkoniyatiga ega (ko'p komponentli gaz analizatorlari). Bunday gaz analizatorlari doimiy ravishda chiqindilar haqida ma'lumot olish yoki real vaqt rejimida texnologik jarayonni kuzatish zarur bo'lgan sanoatda ajralmas hisoblanadi. Tahlil, shuningdek, ilgari faqat boshqa usullar bilan aniqlanishi mumkin bo'lgan komponentlar uchun ham amalga oshiriladi (masalan, korroziy gazlar va boshqa agressiv muhitdagi uglevodorodlarning umumiy kontsentratsiyasi. Bunday qurilmalar, versiyaga qarab, gazni doimiy monitoring qilish tizimlari sifatida ham qo'llaniladi. sanoatda va tadqiqot yoki atrof-muhit monitoringi uchun portativ asboblar sifatida. Zamonaviy yuqori darajadagi gaz analizatorlari ishonchliligi va foydalanish qulayligidan tashqari, ko'plab qo'shimcha funktsiyalarga ega, masalan:
Differensial gaz bosimini o'lchash
Gaz oqimining tezligi va hajmli oqimini aniqlash
Gaz/benzin sarfini aniqlash
O'rnatilgan xotira
Kompyuterga ma'lumotlarni uzatish uchun simsiz interfeys
Natijalarni statistik qayta ishlash
Ifloslantiruvchi moddalarning massaviy emissiyasini hisoblash
Metrologik yordam.
Gaz-analitik o'lchovlarning ishonchliligi metrologik ta'minotning bir qator usullari va vositalari bilan kafolatlanadi. Muhitning fizik parametri qiymati va aniqlangan komponentning kontsentratsiyasi, muhitning boshqa komponentlarining ta'siri va o'lchash shartlari o'rtasidagi munosabatlar to'g'risidagi ma'lumotlarning to'liq emasligi tahlil xatosiga olib keladi. Shuning uchun har bir aniq holatda, usullarni sertifikatlash yoki gaz analizatorlarining metrologik xususiyatlarini standartlashtirish uchun dastlabki metrologik o'rganish kerak.
Metrologik tadqiqotning vazifalaridan biri - usullarni ishlab chiqishda va gaz analizatorlarini yaratishda qo'llaniladigan haqiqiy tahlil qilingan aralashma va uning modeli o'rtasidagi to'liq mos kelmasligidan kelib chiqadigan xatolikni aniqlashdir. Metrologik tadqiqotlar jarayonida sertifikatlangan gaz aralashmalari va namunali o'lchash asboblari qo'llaniladi. Sertifikatlash usulini tanlash aniqlangan va bog'langan komponentlarning kontsentratsiyasi va xususiyatlariga bog'liq.
Gaz aralashmalarini sertifikatlash, masalan, aralash toza gazlarning oqim tezligini, bosimini va hajmini o'lchashni, aralashmaning tarkibiy qismlarining massa nisbatini aniqlashni (analitik gaz balansi yordamida), ularning muzlash nuqtalarini o'rnatishni ta'minlaydigan usullar bo'yicha amalga oshiriladi. , va boshqalar. Ilgari yuqori aniqlik bilan tasdiqlangan kimyoviy tahlil usullari ham qo'llaniladi. Aralashmalarning xususiyatlarini bilvosita o'lchash natijalariga ko'ra yuqori aniqlik bilan sertifikatlash amalda imkonsiz bo'lgan hollarda, gaz aralashmalarining standart namunalari qo'llaniladi. Shu bilan birga, sintezlangan gaz aralashmalarini standart namunalar sifatida eng yuqori aniqlik darajasida sertifikatlash uchun bir nechta laboratoriyalarda o'tkazilgan tajribalar natijalari qo'llaniladi.