تحديد NO_x في عادم السيارات باستخدام التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية المرئية

يشار عموما إلى خليط من أكسيد النيتريك وثاني أكسيد النيتروجين باسم NO_x. كمنتج ثانوي موجود في عوادم السيارات ، يمكن أن يكون NO_x ضارا بالبيئة ، مما يشكل أوزون التروبوسفير الضار.

في درجات الحرارة المرتفعة في غرفة الاحتراق في المحرك ، يمكن أن يتفاعل النيتروجين والأكسجين من الهواء لتكوين أكسيد النيتريك وثاني أكسيد النيتروجين. في وجود ضوء الشمس ، يتفاعل NO_x مع المركبات العضوية المتطايرة في الغلاف الجوي لتكوين الأوزون ومنتجات أخرى. يمثل الأوزون التروبوسفير خطرا على الصحة ، مما قد يتسبب في تهيج الرئة والعين من بين شكاوى أخرى ، وهو مكون رئيسي للضباب الدخاني الكيميائي الضوئي.

سيوضح هذا الفيديو المبادئ الكامنة وراء إنتاج NO_x والأوزون التروبوسفيري ، وكيفية تصنيع حلول المؤشرات ، وكيفية قياس وقياس إنتاج NO_x من عوادم السيارات.

تمثل السيارات على الطرق ما يقرب من ثلث انبعاثات أكاسيد_{النيتروجين} في الولايات المتحدة ، ويتم تنظيم الانبعاثات بشكل صارم من خلال قانون الهواء النظيف. يمكن للمحولات الحفازة ، الموجودة بين محرك السيارة وأنبوب العادم ، أن تقلل من تركيز أكاسيد_{النيتروجين} في العادم بشكل كبير ، ولكنها تتطلب درجات حرارة عالية لتعمل ، لذلك لن تقلل فقط من NO_x بعد تشغيل السيارة لفترة كافية لتسخين المحول.

بسبب هذا الاختلاف في قدرة المحولات الحفازة على إزالة NO_x في درجات حرارة مختلفة ، عادة ما تتم قراءة انبعاثات NO_x عند بدء تشغيل السيارة ، وبعد التشغيل لمدة 10 دقائق. يعطي هذا تقديرا كميا لانبعاث NO_x الذي تنتجه السيارة ، وأيضا مؤشرا على قدرة المحول الحفاز على إزالة NO_x.

عندما يضاف NO_x إلى محلول يحتوي على حمض السلفانيليك والنفثيل إيثيلين ديامين ، فإن التفاعل الناتج يشكل جزيء صبغة آزو وردي اللون. تتناسب شدة هذا اللون الوردي طرديا مع تركيز NO_x في المحلول ، ويمكن قياسها باستخدام مقياس الطيف الضوئي UV-VIS لإعطاء قياس كمي لمقدار NO_x عند رسمه مقابل المعايير في منحنى المعايرة.

الآن بعد أن أصبحنا على دراية بعملية تكوين NO_x ، دعونا نلقي نظرة على كيفية قياس إنتاج NO_x بواسطة السيارات في بيئة تجريبية.

لبدء التجربة ، يجب إعداد حلول الكشف التي ستتفاعل مع NO_x. لتحضير محلول مخزون النتريت ، قم أولا بوزن 1.5 جم من نتريت الصوديوم وأضفه إلى قارورة حجمية سعة 1 لتر. أضف الماء الخالي من النتريت إلى علامة 1 لتر على القارورة. ينتج عن هذا محلول مخزون يبلغ 1,000 ميكروغرام من النتريت لكل مل. قم بتسمية حل المخزون هذا بشكل مناسب. لعمل محلول عملي من 5 ميكروغرام من النتريت لكل مليلتر ، خذ قارورة جديدة وأضف 1 مل من محلول المخزون. خفف إلى 200 مل.

لتحضير محلول مؤشر NO_x ، قم أولا بوزن 5 جم من حمض السلفانيليك اللامائي ، وأضفه إلى قارورة حجمية سعة 1 لتر. أضف إلى نفس القارورة 500 مل من الماء الخالي من النتريت ، ثم 140 مل من الخليك الجليدي. حرك المحلول حتى يذوب حمض السلفانيليك.

بعد ذلك ، قم بوزن 20 مجم من النفثيل إيثيلين ديامين وأضفه إلى القارورة. أخيرا ، املأ القارورة إلى خط 1-L بالماء الخالي من النتريت. انقل المحلول إلى زجاجة داكنة لمنع التحلل الضوئي ، والسدادة بإحكام ، والملصق بشكل مناسب.

لإنشاء منحنى قياسي ، يجب إنشاء معايير المعايرة. أولا ، ضع 1 مل من محلول مخزون النتريت 5.0 ميكروغرام في قارورة حجمية سعة 25 مل وقم بتخفيفه بمحلول مؤشر NO_x إلى علامة المعايرة. هذا يجعل 0.2 ميكروغرام NO₂- / مل حل قياسي.

بعد ذلك ، قم بإعداد 0.4 و 0.6 و 0.8 و 1 ميكروغرام من المحاليل القياسية NO₂ / مل عن طريق إضافة محاليل النتريت 2 و 3 و 4 و 5 مل لفصل قوارير سعة 25 مل ، وملء كل منها بمحلول مؤشر NO_x.

باستخدام مقياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية ، اضبط الجهاز على قراءة الامتصاص. بعد ذلك ، اضبط الطول الموجي على 550 نانومتر. أضف محلول مؤشر NO_x إلى خلية عينة نظيفة لمقياس الطيف الضوئي ، واستخدمه لتصفير مقياس الطيف الضوئي. أخيرا ، قم بقياس امتصاص الحلول القياسية الخمسة ، وسجل القيم.

لبدء القراءات ، ابدأ تشغيل السيارة التي تعمل بالديزل. خذ حقنة محكمة الغلق سعة 60 مل وأدخلها بضع بوصات في أنبوب العادم ، مع الحرص على تجنب الحروق أو استنشاق الأبخرة. اسحب العادم وطرده مرتين لتكييف المحقنة.

بعد ذلك ، ارسم 25 مل من محلول مؤشر NO_x في المحقنة. طرد أي هواء من المحقنة دون انسكاب محلول المؤشر. أخيرا ، اسحب 35 مل من العادم في المحقنة ، واسحب المكبس إلى علامة 60 مل ، ثم اسحب المحقنة وقم بغطيتها.

رج المحلول في المحقنة باليد لمدة 2 دقيقة. أخيرا ، قم بقياس درجة حرارة الهواء عند عينة أنبوب العادم. كرر عملية أخذ العينات مع سيارة تعمل بالبنزين ، وأي طراز أو تصميم آخر للسيارة المطلوبة.

كرر التجربة بعد تشغيل المركبات لمدة 10 دقائق على الأقل. بمجرد جمع جميع العينات ، انتظر 45 دقيقة للسماح بتطور اللون. أخيرا ، قم بطرد الغاز من المحاقن ، وضع محاليل مؤشر العينة في كوفيت فردية. قم بقياس الامتصاص باستخدام مقياس الطيف الضوئي المضبوطة على 550 نانومتر ، وسجل القيم.

باستخدام قياسات الامتصاص للمحاليل القياسية ، قم بعمل مخطط للامتصاص مقابل تركيز النتريت. حدد أفضل سطر ملائم للبيانات. باستخدام هذا الخط الأنسب ، احسب تركيز النتريت في كل محلول اختبار. يمكن بعد ذلك تحويل هذه القيمة إلى ثاني أكسيد النيتروجين في العادم.

يمثل تركيز ثاني أكسيد النيتروجين المحسوب في الواقع كل NO_x في عينة العادم. يعتمد تحويل جزء في المليون ، أو أجزاء في المليون من حيث الحجم إلى ميكروغرام / لتر على درجة الحرارة والضغط اللذين تم عندهما جمع العينات.

السيارات ليست المصدر الوحيد ل NO_x. مراقبة إنتاجها مهم في مجموعة واسعة من المجالات.

غالبا ما يحتوي دخان السجائر على تركيز أعلى من NO_x من المنبعث من محركات السيارات. تتراوح القيم النموذجية ل NO_x في دخان السجائر من 500-800 جزء في المليون ، مقارنة ب 21-48 جزء في المليون للانبعاثات من سيارة تعمل بالبنزين ، أو حوالي 500 جزء في المليون لمركبة الديزل. يمكن أن يؤدي ذلك إلى مجموعة متنوعة من المشكلات الصحية الشخصية ، بما في ذلك التهاب الشعب الهوائية أو تهيج الأنف والحلق أو التهابات الجهاز التنفسي أو منع نقل الأكسجين في مجرى الدم. يمكن أيضا قياس مستويات_NOX في دخان السجائر باستخدام الطرق الموضحة في هذا الفيديو.

تم العثور على بكتيريا النترجة في التربة والمياه ، وتلعب دورا مهما في دورة النيتروجين ، حيث تؤكسد الأمونيا إلى النتريت ثم النترات. كما هو الحال مع أبخرة العادم ودخان السجائر ، يمكن أيضا فحص مستويات أكاسيد_{النيتروجين} في التربة وقياسها كميا من الناحية اللونية.

يمكن أيضا العثور على النترات والنتريت بكميات قابلة للقياس في المنتجات الغذائية. بالنسبة للأطعمة المعالجة ، يمكن إضافة النترات والنتريت كمادة حافظة ، والأكثر شيوعا في اللحوم ومنتجات اللحوم. هذه لها إجراءات مضادة للميكروبات بالإضافة إلى تثبيت الألوان والحفاظ عليها ، ولها تأثير مفيد غير مباشر كبير على النكهة. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي المحتوى العالي جدا من النتريت إلى مضاعفات طبية بما في ذلك ميتهيموغلوبين الدم عند الرضع ، أو يتسبب في تقصير العمر الافتراضي للمنتجات بسبب تأثيرات مثل حرق النتريت. لذلك يجب مراقبة محتويات النتريت في الأطعمة المعالجة عن كثب ، ويمكن إجراء ذلك باستخدام نسخة معدلة من اختبار القياس اللوني.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لتحديد NO_x. يجب أن تفهم الآن كيف يتم تشكيل NO_x في محركات السيارات ، وكيفية صياغة حلول مؤشر NO_x ، وكيفية قياس وقياس NO_x من أبخرة عادم السيارة.

شكرا للمشاهدة!