Лабораторна робота № 3 вимірювання вмісту оксиду вуглецю (іі) та вуглеводнів у відпрацьованих газах двигуна хроматографічним методом

Мета: навчитися визначати вміст оксиду вуглецю (ІІ) та вуглеводнів у відпрацьованих газах двигуна внутрішнього згоряння на газовому хроматографі «Цвет 100».

Матеріали та обладнання: двигун внутрішнього згоряння, хроматограф «Цвет 100», обладнання для відбору проб газу.

1 Теоретична частина

Газова хроматографія — основний метод аналізу складних газових сумішей. Відповідно до ГОСТ 17567—81 хроматографія — область науки, що вивчає процеси, засновані на переміщенні зони речовини уподовж шару сорбенту в потоці рухомої фази і пов'язані з багатократним повторенням сорбційних і десорбційних процесів. Залежно від чинників, що визначають розділення аналізованої газової суміші на окремі компоненти, газову хроматографію класифікують на: проявну з програмуванням температури і ізотермічну; з програмуванням витрат газу-носія.

Основою цього методу аналізу складних газових сумішей є їх розділення на хроматографічній колонці. Під час проведення аналізу у верхню частину колонки, заповнену твердим адсорбентом, вводиться невелика кількість аналізованої суміші газу (проби). Після введення проби через хроматографічну колонку з невеликою швидкістю пропускається газ-носій, що не адсорбується твердим сорбентом, або що адсорбується слабкіше за будь-який із компонентів аналізованої суміші. В міру проходження газу-носія взята для розділення проба поступово просувається через адсорбент в хроматографічній колонці. Компоненти суміші при цьому відділяються один від одного і при повному розділенні виходять з колонки в певній послідовності. При повному розділенні між компонентами знаходяться зони чистого газу-носія. Наприклад проба газу, що складається з трьох компонентів А, Б і В, переміщається газом-носієм через шар сорбенту, поміщеного в хроматографічну колонку. Оскільки компоненти сорбуються або розчиняються неоднаково, швидкість руху їх по колонці буде різною. Через деякий час це приведе до повного розділення суміші: першим, як такий, що менш сорбований, буде компонент В, другим Б і потім А. В результаті з хроматографічної колонки виходитимуть або газ-носій, або бінарна суміш (газ - носій + компонент), що фіксується детектором, сигнал якого пропорційний концентрації компоненту в суміші (рис. 1).

Рисунок 1 - Схема хроматографічного розділення .

Як газ-носій застосовують очищений від пилу і масла повітря, диоксид вуглецю, азот, гелій, водень і ін. Як адсорбенти (нерухома фаза) використовують активне вугілля, силікагель, оксид алюмінію, активний боксит, оксид магнію, молекулярні сита.

Відповідно до ГОСТ 17567 - 81 газовий хроматограф — прилад, призначений для якісного і кількісного аналізу сумішей речовин, виділення з сумішей чистих компонентів або вузьких фракцій, а також для фізико-хімічних вимірювань. Газові хроматографи підрозділяються на лабораторні і промислові. До складу хроматографа разом з основними елементами (хроматографічна колонка, детектор) входить ряд допоміжних пристроїв, що забезпечують необхідні умови роботи (введення аналізованої суміші в хроматограф, вимірювання і обробку вихідного сигналу хроматографа і ін.). Блок - схема хроматографа наведена на рис. 2.

Рисунок 2 - Блок-схема газового хроматографа:

1 - балон з газом-носієм; 2 - регулятор витрат газу-носія; 3 - вимірювач витрат газу-носія; 4 - випарник; 5 - дозатор; 6 - хроматографічна колонка; 7 - детектор; 8 - реєструючий вимірювальний прилад; 9 - інтегратор; 10 - термостати.

Газохроматографічний детектор — перетворюючий елемент системи газохроматографічного детектування, в якому здійснюється перетворення зміни складу газоподібній суміші, що проходить через нього, в зміну вихідного сигналу. Відомо більше п'ятдесяти методів детектування в хроматографії і відповідно стільки ж детекторів, але лише декілька з них широко застосовують в хроматографах. Це, в першу чергу, детектор по теплопровідності, полум'яно-іонізаційний, термоіонний, електронно-захватний і полум'яно-фотометричний.

Хроматограма — представлення сигналу газохроматографічного детектора як функції часу. Нульова лінія хроматограми — ділянка хроматограми, що є записом сигналу диференціального детектора під час виходу з хроматографічної колонки чистого газу-носія. Короткочасне відхилення пера вторинного приладу від нульової лінії, викликане різними перешкодами, називається шумами, безперервне і тривале відхилення нульової лінії в одному напрямі — дрейфом нуля.

Хроматограма, зображена на рис. 3, називається диференціальною і складається з хроматографічних піків 1 і 2. Хроматографічний пік — графічне зображення залежності величини, пропорційної миттєвій кількості визначуваної речовини, від часу в потоці рухомої фази на виході з колонки або в іншій точці, де проводиться вимірювання. Основу піку АВ (рис. 3) отримують інтерполяцією основної лінії між крайніми точками піку. Площу, що знаходиться між піком і його основою, називають площею під піком, а відстань h від вершини піку до основи, зміряне паралельно осі ординат і що є сигналом детектора, — висотою піку. Відрізок основи , що знаходиться між дотичними до точок перегину до кожної сторони піку, називається шириною піку. Лінія CD, паралельна підставі піку і ділить висоту, навпіл, називається напівшириною піку.

Показ вторинного приладу
Час

Рисунок 3 - Диференціальна хроматограма.

Метод калібрування хроматограм

Об'ємну частку компонентів обчислюють порівнянням площ або висот піків, відповідних компонентів на хроматограмах компоненту газу, що вимірюється і градуювальної газової суміші, записаних за однакових умов випробування [1].

Площу піку (S), мм², обчислюють за формулою

S = h∙a∙b, (1)

де h – висота піку, мм;

а – ширина піку, виміряна на половині висоти, мм;

b – масштаб запису хроматограми.

Об'ємну частку кожного компоненту у виміряному газі (X_i) у відсотках обчислюють за формулою:

(2)

де Е_i - об'ємна частка компоненту i в градуювальній суміші %;

S_i - площа або висота піку компоненту i випробовуваного газу, мм²;

S_E - площа або висота піку компоненту i в градуювальній суміші, мм² .