Апаратура за инфрачервена спектроскопия

Aзотните и въглеродните окиси са сред основните замърсители на атмосферния въздух. Азотните окиси (NO и NO2) се отделят в процеса на окисляване на азота във въздуха или в процеса на изгаряне на горивата при висока температура. Основният източник на азотни окиси в атмосферата са индустриалните производства и преди всичко тези в областта на енергетиката - топлофикациите и топлоелектрическите централи.

Азотните окиси са определяни като водещ фактор за образуването на киселинните дъждове. Обикновено те постъпват в атмосферата под формата на NO, но при взаимодействието си с озона се окисляват до NO2.

След това, под въздействието на интензивната слънчева светлина и в присъствието на летливи органични съединения в атмосферния въздух, азотният диоксид взаимодейства химически, което води до образуването на вторичен замърсител - озон.

В атмосферата азотните окиси съществуват под формата на NO и NO2 в продължителност на приблизително 24 часа. Впоследствие те се преобразуват в азотна киселина, която директно се просмуква в почвата или се преобразува във водни капки - киселинен дъжд.

Отделяните от горивните процеси азотни окиси се разделят на три основни вида: термични, горивни и моментални. Термични азотни окиси се създават в среда, отличаваща се с висока температура и присъствие на свободен кислород.

Този вид азотни окиси са основна емисия от вредни вещества, замърсяващи атмосферния въздух, която се образува в процеси, свързани с енергийно оползотворяване на горива. Горивните азотни окиси се образуват от свързания азот в състава на горивото. Моменталните азотни окиси се образуват в предния фронт на пламъка, с който изгаря горивната смес.

Реакцията протича с висока скорост и е резултат на взаимодействие със съдържащия се в атмосферния въздух азот. Установено е, че образуваните в процеса на изгаряне термични азотни окиси представляват от 5 до 10 ppm от общото количество генерирани NОx.

Въглеродните окиси (СО и СО2) са отпадъчен продукт, който се получава в резултат на непълното горене на въглеродосъдържащи горива като въглища, дървесина и др. Поради това основните индустриални замърсители на атмосферата с въглеродни окиси са ТЕЦ-овете и стоманодобивната промишленост.

Тъй като въглеродният окис е сред основните парникови газове, които водят до повишаване на температурата на планетата, допринасят за създаването на парниковия ефект и разрушават озоновия слой, концентрациите му в атмосферата нормативно подлежат на непрекъснат мониторинг.

При мониторинга на концентрациите на въглеродни и азотни окиси в атмосферата се използват предимно анализатори, действието на които е базирано на способността на веществата да поглъщат електромагнитна енергия с различна дължина на вълната. Такива са анализаторите, функциониращи на основата на недиспергиращ инфрачервен спектрометричен метод (NDIR), и анализаторите, работещи на принципа на инфрачервената спектроскопия с трансформация на Фурие (FTIR).

NDIR анализатори
Едни от най-широко разпространените оптични прибори са инфрачервените спектрални газанализатори, използвани за анализ на газови потоци. Принципът им на работа се основава на свойството на газовете да поглъщат строго определена част от електромагнитния спектър.

Добре известно е, че газовите молекули с хетероатомна структура, съдържащи два или повече различни атома в молекулата си, проявяват уникални абсорбционни характеристики в инфрачервената част от спектъра. Молекулите, съдържащи един и същ вид атом, не реагират, когато са изложени на влиянието на инфрачервено лъчение.

За концентрацията на определено вещество се съди по степента на абсорбция на електромагнитна вълна с определена дължина на вълната от молекулите на изследваното вещество. Точно по тази причина дължината на електромагнитната вълна, с която работи анализаторът, се избира така, че изследваното вещество да абсорбира максимално количество от нейната енергия.

Именно базирайки се на този принцип, са разработени различни видове NDIR анализатори. Освен за въглероден окис, методът се използва и за откриване и измерване концентрацията на серни окиси, азотни окиси, както и други атмосферни замърсители. NDIR методът се причислява към групата на екстрактивните.

При този вид анализатори светлинен източник излъчва светлинен стоп с дължина в инфрачервената област, която преминава през две кювети. Едната от кюветите, наричана референтна или опорна, е напълнена с газ, който не поглъща енергия в тази част на спектъра, в която излъчва светлинният източник. Втората кювета е напълнена с пробата на анализирания газ.

При преминаването на светлинния лъч през тази кювета, молекулите на въглеродния окис ще погълнат част от енергията. В резултат, на изхода от кюветата енергията на светлинния сноп ще бъде по-малка. От друга страна, енергията на светлинния сноп, преминал през първата кювета, не се променя. На базата на отчетената разлика между двата сигнала се определя концентрацията на измервания газ.

Като конструкция NDIR анализаторите принципно включват няколко основни компонента: светлинен източник, филтър, клетка с изследваната проба, детектор и електроника, която обработва и показва детектирания сигнал на екран. Сред използваните светлинни източници са полупроводниковите.

Това обикновено са електролуминесцентни прибори, в които електроенергията се преобразува в светлина. Най-широко приложими са приборите с инжекционна луминесценция, които имат диодна структура – светодиоди. Като приемници се използват фотоприемници, в които под действието на оптично лъчение стават изменения, позволяващи откриването и измерването на някои характеристики на това лъчение. Широко използвани са фоторезистори и фотодиоди.

Елиминирането на влиянието на условията, при които се провежда измерването, като прозрачността на газа, влияние на оптичните елементи и т.н., е посредством еталонния канал, който се използва за косвено измерване на началната интензивност на светлината.

Анализаторите, които работят на принципа на недиспергираната инфрачервена спектрометрия, обикновено се препоръчват в приложения, при които се осъществява мониторинг само на един вид газ. Тези анализатори се отличават с дълъг експлоатационен живот, висока чувствителност и надеждност.

Детектори, базирани на NDIR метода
За измерване концентрацията на азотни окиси се използват Luft детектори. Те са познати още и като оптопневматични детектори и филтърни корелационни газанализатори. Принципът им на работа е подобен на NDIR анализаторите, базиран на определяне на съотношението между абсорбционните инфрачервени спектри на димния газ и изследваното вещество без примеси.

Филтърните корелационни газанализатори се препоръчват в приложения, при които отделяните газове са с висока температура от порядъка над
200 °С. Те са подходящи за измерване на минимална концентрация до няколко стотици ppm, а разделителната им способност е няколко десетки ppm. Сред характеристиките на Luft детекторите е високата им чувствителност по отношение на вибрации, което ограничава в голяма степен областта им на приложение.

В конструктивно отношение са изградени от референтна кювета, кювета, в която се намира анализираният газ, както и две напълнени с газ абсорбционни кювети. Четирите кювети обикновено се свързват в мостова схема. Принципът на действие на отпопневматичните детектори се основава на повишаване на температурата в кюветата с изследвания газ, в случая въглероден окис.

Температурата се повишава в резултат от поглъщането на енергията на преминаващия през нея електромагнитен сноп с дължина на вълната в инфрачервената област. Съответно, при преминаване на снопа през референтната кювета температурата се запазва, тъй като молекулите на референтния газ не поглъщат енергията на тази част от електромагнитния спектър.

Промяната в температурата води до изменение в налягането на едното рамо на моста. По разликата в сигналите в двете рамене на моста се съди за концентрацията на въглеродния окис в изследваната проба.

Спектроскопи с трансформация на Фурие
Газовите инфрачервени анализатори с трансформация на Фурие FTIR се препоръчват в приложения, при които концентрациите на азотни окиси са много ниски, например под 10 ppm. Принципно тези анализатори работят с електромагнитни вълни с дължина от 2,5 до 25 микрометра. Основно тяхно предимство е възможността за мониторинг на няколко различни газа едновременно.

Концентрацията на изследвания газ се определя на базата на различни алгоритми от инфрачервения спектър на веществото. Вградената микропроцесорна техника в съвременните конструкции инфрачервени анализатори дава възможност за съхранение на интерференчната картина и определяне съдържанието на друг компонент от газовата смес в по-късен период от време.

Този метод позволява измерването на спектри на силно поглъщащи, отразяващи или разсейващи проби. Регистрирането на един спектър изисква много кратко време, което дава възможност да се проследи ходът на химични реакции, динамиката на физичните процеси по повърхността на материалите и други.