Metode Fizice și Senzori pentru Determinarea Compoziției Atmosferice

METODE FIZICE ŞI SENZORI PENTRU DETERMINAREA COMPOZIŢIEI ATMOSFERICE

I.1. Proprietăţi fizico- chimice ale principalelor componente ale aerului şi ale poluanţilor acestuia

Pentru măsurarea concentraţiilor elementelor constituente ale aerului atmosferic, ca şi a concentraţiilor de substanţe poluante ale atmosferei este absolut necesar să se cunoască proprietăţile fizico- chimice ale acestora, în vederea conceperii metodelor, dispozitivelor şi aparatelor necesare îndeplinirii acestui scop. În tabelul 1.1 sunt prezentate sumar, proprietăţile fizice ale principalelor gaze prezente în atmosferă. Densitatea , conductibilitatea termică şi vâscozitatea sunt raportate la aer, iar susceptabilitatea magnetică este raportată la oxigen, gazele paramagnetice fiind precedate de semnul +, iar cele diamagnetice de semnul -.

Se observă că, pe baza acestor proprietăţi fizice, cel mai uşor detectabil în aer este hidrogenul, care are o densitate mult mai mică şi prezintă o conductibilitate termică mult mai mare decât aerul. Tot pe bază de densitate ar putea fi detectate bioxidul de sulf, bioxidul de azot şi bioxidul de carbon.Totuşi densimetrele pentru faza gazoasă sunt relativ greu de realizat, şi au o precizie scăzută, nepermiţând măsurări în domeniul de interes al concentraţiilor de impurităţi de 1-10ppm.

Conductibilitatea termică mare a hidrogenului şi mică a bioxidului de carbon sunt folosite în aparate pentru măsurarea concentraţiilor acestor substanţe.

Tabelul 1.1. Proprietăţile fizice ale principalelor gaze prezente în atmosferă

Nr. crt Natura gazului Simbol Densitate Vâscozitate Conductibilitate termică Susceptibilitate magnetică

raportată la aer raportată la oxigen

1 Aer --- 100 100 100 +21,6

2 Oxigen O2 110,5 108 105 +100

3 Azot N2 96,7 95 100 -0,42

4 Monoxid de carbon CO 96,7 95 101 -0,21

5 Bioxid de carbon CO2 152,9 80 69 -0,61

6 Vapori de apă 0°C H2O 62,3 52 130 -

7 Hidrogen H2 6,95 48 738 -0,12

8 Bioxid de sulf SO2 225 70 39 -0,05

9 Monoxid de azot NO 103 - 93 +43,8

10 Bioxid de azot NO2 158 - 65 +6,2

11 Metan CH4 55,5 60 135 -0,37

Susceptibilitatea magnetică mare a oxigenului faţă de celelalte gaze este folosită curent pentru determinarea concentraţiei de oxigen în aer. Singurul element care ar putea introduce erori într-o astfel de măsurare ar fi monoxidul de azot, dar concentraţia acestuia în mediu este mult mai mică decît a oxigenului (cu patru sau cinci ordine de mărime).

Proprietăţile chimice ale gazelor prezente în atmosferă, precum puternicul caracter oxidant al ozonului sau al oxigenului şi caracterul reducător al bioxizilor de sulf şi de azot, pot fi folosite în dispozitive şi instrumente pentru determinarea concentraţiilor de compuşi ai atmosferei. În tabelul 1.2 sunt prezentaţi principalii poluanţi ai atmosferei şi câteva metode de determinare a concentraţiilor acestora în aer.

Pentru detectarea substanţelor gazoase aflate în concentraţii foarte mici, de ordinul p.p.m., se folosesc proprietăţi fizice şi chimice specifice fiecărei substanţe. Dintre cele mai importante sunt acelea care se referă la interacţiunea dintre respectiva substanţă cu radiaţia electomagnetică de diferite lungimi de undă.

Tabelul 1.2. Poluanţii atmosferici şi principalele metode de determinare

Poluantul Metode de determinare

SO2 Absorbţia în apă oxigenată (H2O2) şi titrarea soluţiei

Absorbţia în tetracloro- mercurat, spectrofotometria

Analiza fotometrică în flacără

Fluorescenţa în fază gazoasă

Depolarizarea electrochimică

NOx Chimiluminiscenţa în reacţie cu ozonul

Depolarizarea electrochimică

Hidrocarburi totale Analiza prin ionizare în flacără

Combustia catalitică

Hidrocarburi specifice Cromatografia în fază gazoasă

CO Combustie catalitică:

- cu detectare prin ionizare în flacără

- cu senzor de gaze combustibile

- cu senzor semiconductor

Analiza prin absorbţia în infraroşu

Ozonul Chimiluminiscenţa

Absorbţia în ultraviolet

Particule şi aerosoli Eşantionarea de volum mare, filtrarea şi analizarea prin specroscopie cu absorbţie atomică

Absorbţia radiaţiei beta

Reducerea transparenţei lamelei de sticlă

Astfel, bioxidul de carbon, monoxidul de carbon şi metanul prezintă benzi de absorbţie în zona de infraroşu a spectrului, iar ozonul în zona de ultraviolet. Bioxidul de sulf prezintă proprietatea de fluorescenţă la iradierea cu raze în ultraviolet, iar bioxidul de azot, obţinut din reacţia ozonului cu monoxidul de azot, prezintă proprietatea de chimiluminiscenţă.

I.2. Analizoarele pe principiu fizic

Sunt de obicei analizoare specializate pe o anumită componentă şi, în acelaşi timp, sunt analizoare automate care furnizează pe loc (în timp real) concentraţia în mediul analizat a respectivei componente.

Analizoarele pe principii fizice sunt realizate pe baza diferitelor proprietăţi ale substanţelor gazoase, cum ar fi:

• absorbţia radiaţiilor electomagnetice (în infraroşu, vizibil sau ultraviolet);

• spectroscopia optică;

• reflexia, refracţia, dispersia undelor electromaâgnetice;

• fluorescenţa;

• chimiluminiscenţa;

• conductibilitatea termică;

• susceptibilitatea magnetică;

• densitatea şi vâscozitatea;

• puterea catalitică a gazelor combustibile şi altele.

Analizoarele pe principii fizice sunt foarte precise, pot asigura o analiză continuă a atmosferei, în timp real, cu posibilităţi de memorare şi alarmare dar sunt foarte scumpe, de volum mare, necesită o aparatură complicată, mediu de lucru controlat, putere consumată relativ ridicată şi sunt adesea puţin fiabile.

Cele mai moderne metode de analiză a compoziţiei aerului atmosferic se realizează pe principii fizico- chimice. Dintre acestea cele mai importante sunt:

• cromatografia în faza gazoasă;

• spectroscopia atomică de masă;

• spectroscopia prin absorbţie atomică;

• metodele electrochimice de analiză, realizate pe baza celulelor electrochimice sau pe baza dispozitivelor cu proprietăţi specifice de suprafaţă.