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Ein Gemisch aus Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid wird allgemein als NOx bezeichnet. Als Nebenprodukt in Autoabgasen kann NOx umweltschädlich sein und schädliches troposphärisches Ozon bilden.
Bei hohen Temperaturen in der Brennkammer eines Motors können Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft zu Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid reagieren. In Gegenwart von Sonnenlicht reagiert NOx mit flüchtigen organischen Verbindungen in der Atmosphäre unter Bildung von Ozon und anderen Produkten. Troposphärisches Ozon ist ein Gesundheitsrisiko, das unter anderem Lungen- und Augenreizungen verursachen kann, und es ist ein Hauptbestandteil des photochemischen Smogs.
Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien hinter der NOx- und troposphärischen Ozonproduktion, die Herstellung von Indikatorlösungen und die Messung und Quantifizierung der NOx-Produktion aus Autoabgasen.
Straßenfahrzeuge sind für etwa ein Drittel der NOx-Emissionen in den USA verantwortlich, und die Emissionen sind durch den Clean Air Act streng reguliert. Katalysatoren, die sich zwischen dem Motor und dem Auspuffrohr eines Autos befinden, können die NOx-Konzentration im Abgas erheblich reduzieren, aber diese erfordern hohe Temperaturen, um zu funktionieren, so dass NOx erst dann reduziert wird, wenn ein Auto lange genug gelaufen ist, um den Katalysator zu erwärmen.
Aufgrund dieses Unterschieds in der Fähigkeit von Katalysatoren, NOx bei unterschiedlichen Temperaturen zu entfernen, werden die NOx-Emissionen in der Regel beim Starten des Fahrzeugs und nach einem 10-minütigen Betrieb abgelesen. Dies gibt eine Quantifizierung der vom Automobil erzeugten NOx-Emissionen und auch einen Hinweis auf die Fähigkeit des Katalysators, das NOx zu entfernen.
Wenn NOx zu einer Lösung hinzugefügt wird, die Sulfanilsäure und Naphthylethylendiamin enthält, bildet die resultierende Reaktion ein rosa gefärbtes Azofarbstoffmolekül. Die Intensität dieses Rosas ist direkt proportional zur NOx-Konzentration in der Lösung und kann mit einem UV-VIS-Spektralphotometer gemessen werden, um eine Quantifizierung der NOx-Menge zu erhalten, wenn sie mit den Standards in einer Kalibrierkurve verglichen wird.
Nachdem wir nun mit dem Prozess der NOx-Bildung vertraut sind, schauen wir uns an, wie die NOx-Produktion durch Automobile in einer experimentellen Umgebung quantifiziert werden kann.
Zu Beginn des Experiments sollten Nachweislösungen vorbereitet werden, die mit dem NOx reagieren. Zur Herstellung der Nitrit-Stammlösung werden zunächst 1,5 g Natriumnitrit abgewogen und in einen 1-Liter-Messkolben gegeben. Geben Sie nitritfreies Wasser in die 1-Liter-Markierung auf dem Kolben. Dabei entsteht eine Stammlösung von 1.000 μg Nitrit pro ml. Beschriften Sie diese Stammlösung entsprechend. Um eine Arbeitslösung von 5 μg Nitrit pro Milliliter herzustellen, wird ein frischer Kolben entnommen und 1 ml der Stammlösung zugegeben. Auf 200 mL verdünnen.
Zur Herstellung der NOx-Indikatorlösung werden zunächst 5 g wasserfreie Sulfanilsäure abgewogen und in einen 1-Liter-Messkolben gegeben. In denselben Kolben werden 500 ml nitritfreies Wasser und dann 140 ml Eisessig gegeben. Die Lösung schwenken, bis sich die Sulfanilsäure aufgelöst hat.
Wiegen Sie anschließend 20 mg Naphthyl-Ethylendiamin ab und geben Sie es in den Kolben. Zum Schluss wird der Kolben bis zur 1-L-Linie mit nitritfreiem Wasser gefüllt. Füllen Sie die Lösung in eine dunkle Flasche um, um eine Photozersetzung zu verhindern, verschließen Sie sie fest und etikettieren Sie sie entsprechend.
Um eine Standardkurve zu erzeugen, müssen Kalibrierstandards erstellt werden. Zuerst wird 1 ml der 5,0-μg-Nitrit-Stammlösung in einen 25-ml-Messkolben gegeben und mit der NOx-Indikatorlösung bis zur Kalibriermarkierung verdünnt. Dies ergibt eine Standardlösung von 0,2 μg NO2-/ml.
Als nächstes bereiten Sie 0,4, 0,6, 0,8 und 1 μg NO2-/ml-Standardlösungen vor, indem Sie 2, 3, 4 und 5 ml-Nitritlösungen zu trennenden 25-ml-Kolben hinzufügen und jeden bis zur Markierung mit NOx-Indikatorlösung füllen.
Stellen Sie das Gerät mit einem UV-VIS-Spektralphotometer so ein, dass es die Absorption abliest. Stellen Sie als Nächstes die Wellenlänge auf 550 Nanometer ein. Geben Sie die NOx-Indikatorlösung in eine saubere Spektralphotometer-Probenzelle und verwenden Sie diese, um das Spektralphotometer auf Null zu stellen. Messen Sie abschließend die Absorption der fünf Standardlösungen und notieren Sie die Werte.
Um mit der Messung zu beginnen, starten Sie das dieselbetriebene Auto. Nehmen Sie eine gasdichte 60-ml-Spritze und führen Sie sie einige Zentimeter in das Auspuffrohr ein, wobei Sie darauf achten, Verbrennungen oder das Einatmen von Dämpfen zu vermeiden. Ziehen Sie den Auspuff zweimal ein und lassen Sie ihn aus, um die Spritze zu konditionieren.
Ziehen Sie anschließend 25 mL der NOx-Indikatorlösung in die Spritze. Stoßen Sie jegliche Luft aus der Spritze aus, ohne die Indikatorlösung zu verschütten. Ziehen Sie abschließend 35 mL Auspuff in die Spritze, ziehen Sie den Kolben bis zur 60-ml-Markierung, ziehen Sie die Spritze heraus und verschließen Sie sie.
Schütteln Sie die Lösung in der Spritze mit der Hand für 2 Minuten. Decken Sie die Spritze mit Alufolie ab. Messen Sie abschließend die Lufttemperatur am Probenauspuffrohr. Wiederholen Sie den Probenahmevorgang mit einem benzinbetriebenen Auto und jedem anderen gewünschten Automodell oder -design.
Wiederholen Sie das Experiment, nachdem die Fahrzeuge mindestens 10 Minuten lang gefahren sind. Sobald alle Proben entnommen wurden, warten Sie 45 Minuten, damit sich die Farbe entwickeln kann. Zum Schluss wird das Gas aus den Spritzen ausgestoßen und die Probenindikatorlösungen in einzelne Küvetten gegeben. Messen Sie die Extinktion mit dem auf 550 nm eingestellten Spektralphotometer und notieren Sie die Werte.
Unter Verwendung der Absorptionsmessungen der Standardlösungen wird ein Diagramm der Absorption im Verhältnis zur Konzentration von Nitrit erstellt. Bestimmen Sie die am besten angepasste Linie der Daten. Berechnen Sie mit dieser am besten geeigneten Linie die Nitritkonzentration in jeder Testlösung. Dieser Wert kann dann im Abgas in Stickstoffdioxid umgewandelt werden.
Die berechnete Konzentration von Stickstoffdioxid entspricht tatsächlich dem gesamten NOx in der Abgasprobe. Die Umwandlung von ppmV oder parts per million μg/L hängt von der Temperatur und dem Druck ab, bei denen die Proben entnommen wurden.
Autos sind nicht die einzige Quelle von NOx. Die Überwachung der Produktion ist in einer Vielzahl von Bereichen wichtig.
Zigarettenrauch enthält oft eine höhere Konzentration an NOx als von Automotoren. Typische NOx-Werte im Zigarettenrauch liegen zwischen 500 und 800 ppm, verglichen mit 21 bis 48 ppm für die Emissionen eines Benzinfahrzeugs oder etwa 500 ppm für ein Dieselfahrzeug. Dies kann zu einer Vielzahl von persönlichen Gesundheitsproblemen führen, darunter Bronchitis, Reizungen der Nase und des Rachens, Atemwegsinfektionen oder eine Blockierung des Sauerstofftransfers im Blutkreislauf. Der NOx-Gehalt im Zigarettenrauch kann auch mit den in diesem Video gezeigten Methoden quantifiziert werden.
Nitrifizierende Bakterien kommen im Boden und im Wasser vor und spielen eine wichtige Rolle im Stickstoffkreislauf, indem sie Ammoniak zu Nitrit und dann zu Nitrat oxidieren. Wie bei Abgasen und Zigarettenrauch können auch die NOx-Gehalte im Boden farbmetrisch untersucht und quantifiziert werden.
Nitrate und Nitrite sind in messbaren Mengen auch in Lebensmitteln enthalten. Für gepökelte Lebensmittel können Nitrate und Nitrite als Konservierungsmittel zugesetzt werden, am häufigsten in Fleisch und Fleischprodukten. Diese haben sowohl antimikrobielle als auch farbfixierende und konservierende Wirkungen und haben eine signifikante indirekte positive Wirkung auf den Geschmack. Ein zu hoher Nitritgehalt kann jedoch zu medizinischen Komplikationen wie Methämoglobinämie bei Säuglingen führen oder die Haltbarkeit von Produkten aufgrund von Effekten wie Nitritverbrennung verkürzen. Der Nitritgehalt in gepökelten Lebensmitteln sollte daher genau überwacht werden, und dies kann mit einer modifizierten Version des kolorimetrischen Tests durchgeführt werden.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Bestimmung von NOx gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie NOx in Automotoren gebildet wird, wie man NOx-Indikatorlösungen formuliert und wie man NOx aus Fahrzeugabgasen misst und quantifiziert.
Danke fürs Zuschauen!
