28. Оптические газоанализаторы

Оптические газоанализаторы основаны на ис­пользовании зависимости изменения того или иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого компонента.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей, получили широкое применение в различных отраслях про­мышленности и применяются для определения концентрации окиси углерода (СО), двуокиси углерода (С0₂), метана (СН₄), аммиака (СН₃) в сложных газовых смесях, а также и других газов. Это объясняется тем, что в инфракрасной области спектра газы имеют весьма интенсивные и отличительные друг от друга по положению в спектре полосы поглощения.

Газоанализаторы, основанные на поглощении ультрафиолетовых лучей, применяются в химической, нефтяной и пищевой промыш­ленности. Благодаря высокой чувствительности они широко исполь­зуются для определения токсических и взрывоопасных концентра­ций различных газов в воздухе промышленных предприятий. Газо­анализаторы этого типа позволяют определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях.

Газоанализаторы фотоколориметрические, основанные на погло­щении лучей в видимой области спектра, подразделяются на жид­костные и ленточные. Жидкостные газоанализаторы являются при­борами с непосредственным (прямым) поглощением излучения определяемым компонентом при взаимодействии анализируемого компонента с жидким реактивом. В газоанализаторах второго типа измеряется светопоглощение поверхностью бумажной или текстиль­ной ленты, предварительно пропитанной или смоченной соответ­ствующим реактивом. Фотоколориметрические газоанализаторы широко применяют для измерения микроконцентрации различных газов в воздушной среде и в сложных газовых смесях. Эти газоана­лизаторы широко используются также для определения в воздухе токсической концентрации различных газов и паров, вредных для человека. Фотоколориметрические газо­анализаторы для определения больших концентраций не применя­ются. Следует отметить, что фотоколориметрический метод находит широкое применение для анализа жидкостей, в частности для ана­лиза воды на ТЭС.

Спектрофотометрические газоанализаторы, основанные на ме­тоде эмиссионного спектрального анализа газовой смеси, исполь­зуются для анализа аргона, гелия, азота, водорода и кислорода .

Газоанализаторы, основанные на поглощении ультрафиолетовых лучей, применяются в химической, нефтяной и пищевой промыш­ленности. Благодаря высокой чувствительности они широко исполь­зуются для определения токсических и взрывоопасных концентра­ций различных газов в воздухе промышленных предприятий. Газо­анализаторы этого типа позволяют определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях.

29. Газовые хроматографы

Газовые хроматографы, предназначенные для количественного анализа газовых смесей, широко используются в качестве лабораторных приборов в различных отраслях промыш­ленности (химической, газовой, нефтехимической, энергетической и др.). В последние годы у нас и за рубежом уделяют большое вни­мание созданию промышленных газовых хроматографов. Примене­ние этих приборов в химической и нефтехимической промышлен­ности для контроля и автоматизации технологических процессов позволило улучшить сортность продукции и достигнуть большей экономической эффективности.

В энергетике хроматографы лабораторного типа применяют для периодического анализа продуктов горения различных видов топ­лива, при проведении исследований процесса горения в топочных устройствах и испытаний парогенераторов; хроматографы с допол­нительным устройством используются для определения количества водорода, растворенного в воде и паре, а также влажности водо­рода в системах охлаждения обмоток турбогенераторов.

Хроматографы используются для периодического анализа про­дуктов горения различных видов топлива в промышленных паро­генераторах, печах и других установках. Кроме того, хроматографы могут быть использованы для определения концентрации вредных примесей (СО, СН₄ и др.) в воздухе производственных помещений. Здесь хроматография используется для разделения газовых смесей физическими методами, основанными на распределении одного или нескольких компонентов смеси между двумя фазами. Одна из этих фаз, фиксированная на адсорбенте (поверхности твердого тела или тонкого слоя жидкости), омывается подвижной фазой (газом-носи­телем вместе с анализируемым газом), движущейся в свободном пространстве, не занятом неподвижной фазой. При этом происходит многократное повторение элементарных актов адсорбции и десорб­ции. Так как отдельные компоненты газовой смеси поглощаются и удерживаются данным адсорбентом неодинаково, то распределе­ние компонентов между двумя фазами, а вместе с тем и перемещение их относительно друг друга осуществляется в определенной после­довательности со скоростью, характерной для каждого компонента. Это позволяет производить поочередное определение концентрации каждого компонента газовой смеси.

Метод хроматографического разделения веществ при помощи адсорбентов впервые был открыт в 1903 г. русским ученым М. С. Цве­том и применен им при исследовании пигментов, участвующих в фотосинтезе растении. При проведений исследовании М. С. Цвет имел дело с окрашенными веществами и поэтому используемый им метод разделения он назвал хроматографией. В на­стоящее же время хроматографические методы применяются для разделения и бесцветных веществ, но наименование методов оста­лось прежним.

Газовая хроматография как метод качественного и количествен­ного анализа различных веществ получила широкую известность в последние годы. Развитию газовой хроматографии в большой степени способствовал предложенный в 1952 г А. Мартином и А. Джеймсом метод газожидкостной хроматографии.

Хроматография газов подразделяется на газоадсорбционную и газожидкостную.

Газоадсорбционный метод разделения компонентов газовой смеси основан на различной адсорбируемости компонентов твердыми ад­сорбентами, представляющими собой пористые вещества с большой поверхностью. Адсорбентами, широко применяемыми в газоадсорб­ционной хроматографии являются активированные угли, силика-гели, алюмогели, молекулярные сита (цеолиты). Используются также и другие адсорбенты, например тонкопористые стекла.

В газожидкостной хроматографии разделение сложных смесей веществ основано на различии растворимости компонентов анали­зируемой смеси в тонком слое жидкости, нанесенной на поверхности твердого химически инертного носителя. Твердый носитель не участ­вует непосредственно в адсорбционном процессе, а служит только для создания необходимой поверхности растворителя. Выбор жид­кости (неподвижной фазы) определяется природой подлежащих разделению смеси веществ. Для разделения веществ применяют различные жидкости, например вазелиновое масло (смесь жидких парафинов высокой чистоты), силиконовое масло (ДС-200, ДС-703) высококипящее авиационное масло, полиэтиленгликоль различных марок и др. Разновидностью газожидкостной хроматографии является ка­пиллярная газовая хроматография, предложенная в 1957 г. М. Го-леем. В капиллярной хроматографии в качестве твердого носителя неподвижной фазы применяют длинные капиллярные трубки, внут­реннюю поверхность которых покрывают тонким равномерным слоем нелетучей жидкости. Капиллярная хроматография обеспечивает более четкое разделение компонентов газовой смеси.

Следует отметить, что в газовой хроматографии в последнее время начинают применять модифицированные адсорбенты. В этом случае подвижной фазой является газ, а неподвижной — твердый адсорбент, модифицированный небольшим количеством жидкости. При применении такого адсорбента разделение компо­нентов газовой смеси происходит как за счет адсорбции на твердом носителе, так и за счет растворимости в жидкости. Здесь одновре­менно используются газоадсорбционный и газожидкостный методы.

Хроматографический процесс может быть осуществлен одним из следующих методов: проявительным, фронтальным или вытеснительным. В проявительном методе газоадсорбционной и газожид­костной хроматографии вдоль слоя адсорбента непрерывно проте­кает несорбирующийся газ-носитель, в поток периодически вводят дозу анализируемой газовой смеси. Этот метод получил широкое применение для аналитических целей. Методы фронтальный и вытеснительный не нашли широкого применения для аналитических целей и рассматриваться не будут.

Кроме указанных методов осуществления хроматографического процесса применяют метод проявительного анализа с программи­рованным повышением температуры по всей длине разделительной колонки. Для анализа микропримесей в инертных по отношению к адсорбенту газах может быть использован термодинамический метод.

В газовой хроматографии в качестве газа-носителя обычно ис­пользуются гелий, аргон, водород, азот, воздух и другие газы.

Проявительную газоадсорбционную хроматографию широко при­меняют в энергетике и других отраслях промышленности для раз­деления смесей низкокипящих веществ, входящих в состав продук­тов горения (Н₂, 0₂, СО, СН₄, N₂ и др.); метод газожидкостной хроматографии не обеспечивает хорошего разделения этих веществ из-за их слабой растворимости в жидкой фазе. В последнее время газоадсорбционный метод используется также и для анализа высоко-кипящих веществ и легких углеводородных газов.

Газожидкостная хроматография находит применение для разделения высококипящих веществ, к которым относятся большинство углеводородов. Хроматографические методы позволяют произво­дить анализ газовых смесей, жидких веществ, а также твердых, не растворенных в жидкости веществ. В последнем случае разде­лительная колонка хроматографа снабжается устройством для испарения анализируемой жидкости.