1.11: Determinación de NO_x en los gases de escape de los automóviles mediante espectroscopia UV-VIS

1. preparación de solución madre de nitrito (NO₂^–)

1. Pesa 1,500 g NaNO₂ y agregar a un matraz aforado de 1 L.
2. Diluir hasta la marca usando el nanopure agua. (Compruebe el agua destilada del grifo – puede contener suficiente nitrito para interferir con las mediciones). Esto no produce una 1.000 μg solución₂^–/ml.
3. Para hacer un 5.0 μg₂^–/ml solución, no tomar 1 mL de los 1.000 μg_{2 -}/mL solución y diluir a 200 mL en un matraz aforado.

2. preparación de ninguna solución de indicador_x

1. Pesar 5,0 g de ácido sulfanílico anhidro y agregar a un matraz aforado de 1 L.
2. Añadir 500 mL de agua nanopure.
3. Añadir 140 mL de ácido acético glacial.
4. Utilizando una barra de agitación, agitar la solución hasta que se disuelva el ácido sulfanílico. Esto toma aproximadamente 30 minutos.
5. Pesar 0,020 g de N-(1-naphthyl)-etilendiamina diclorhidrato y añadir al matraz volumétrico.
6. Diluir hasta la marca usando el nanopure agua.
7. Transferir a una botella oscura (para evitar la fotodescomposición) y el tapón firmemente (para evitar la reacción con el aire).

3. preparación de patrones de calibración

1. Colocar 1.0 mL de la 5.0 μg₂^–/ml solución en un matraz aforado de 25 mL y diluir con la solución de indicador de NO_x a la marca. Esto no hace un 0,2 μg solución patrón de₂^–/ml.
2. Colocar 2.0 mL de la 5.0 μg₂^–/ml solución en un matraz aforado de 25 mL y diluir con la solución de indicador de NO_x a la marca. Esto no hace un 0,4 μg solución patrón de₂^–/ml.
3. Poner 3,0 mL de la 5.0 μg solución₂^–/ml en un matraz aforado de 25 mL y diluir con la solución de indicador de NO_x a la marca. Esto no hace un 0,6 μg solución patrón de₂^–/ml.
4. Poner 4,0 mL de la 5.0 μg solución₂^–/ml en un matraz aforado de 25 mL y diluir con la solución de indicador de NO_x a la marca. Esto no hace un 0,8 μg solución patrón de₂^–/ml.
5. Poner 5,0 mL de la 5.0 μg solución₂^–/ml en un matraz aforado de 25 mL y diluir con la solución de indicador de NO_x a la marca. Esto no hace un 1,0 μg solución patrón de₂^–/ml.

4. creación de la curva estándar

1. Utilizando un espectrofotómetro UV-VIS, configurar el instrumento para leer absorbancia.
2. Establecer la longitud de onda de 550 nm en el espectrofotómetro.
3. Usando la solución de indicador de NO_x , a cero el espectrofotómetro.
4. Medir la absorbancia de las soluciones estándar 5. Valores de registros en la tabla de datos (tabla 1).

5. automóvil escape muestra medida

1. Empiece el automóvil de motor diesel.
2. Utilizando una jeringa de 60 mL estanqueidad, insértela de unas cuantas pulgadas en el tubo de escape. Evitar quemaduras y no respirar los humos. Atraer y expulsar los gases de escape dos veces para la jeringa de la condición.
3. Extraer 25 mL de la solución de indicador de NO_x en la jeringa. Expulsar todo el aire de la jeringa sin derramar la solución indicadora.
4. Dibujar 35 mL de escape dentro de la jeringa, tirando el émbolo hasta la marca de 60 mL.
5. Tapa de la jeringa. Agite la solución en la jeringa por 2 minutos tapa la jeringa con papel de aluminio.
6. Medir la temperatura del aire en el tubo de escape al recoger las muestras.
7. Repita los pasos 5.1-5.6 utilizando un automóvil con motor de gasolina. Estos pasos pueden repetirse tantas veces como se desee, utilizando varios modelos de automóviles.
8. Repita los pasos 5.1-5.6 después de que los automóviles han sido funcionando por lo menos 10 minutos.
9. Esperar 45 minutos para permitir que el color se desarrolle, antes de medir la absorbancia de la solución.
10. Después de 45 min para arriba, expulsar el gas de la jeringa, colocar la solución en una cubeta y medir la absorbancia con el espectrofotómetro a 550 nm. Valores de registros en la tabla de datos (tabla 1).

Tabla 1. Tabla de datos en blanco para grabamos valores de absorción.

Una mezcla de óxido nítrico y dióxido de nitrógeno se conoce generalmente como NOx. Como subproducto que se encuentra en los gases de escape de los automóviles, el NOx puede ser perjudicial para el medio ambiente, formando ozono troposférico dañino.

A altas temperaturas en la cámara de combustión de un motor, el nitrógeno y el oxígeno del aire pueden reaccionar para formar óxido nítrico y dióxido de nitrógeno. En presencia de la luz solar, el NOx reacciona con los compuestos orgánicos volátiles de la atmósfera para formar ozono y otros productos. El ozono troposférico es un riesgo para la salud, ya que puede causar irritación pulmonar y ocular, entre otras molestias, y es un componente importante del smog fotoquímico.

Este video ilustrará los principios detrás de la producción de NOx y ozono troposférico, cómo fabricar soluciones de indicadores y cómo medir y cuantificar la producción de NOx de los gases de escape de los automóviles.

Los automóviles de carretera representan aproximadamente un tercio de las emisiones de NOx en los EE. UU., y las emisiones están estrictamente reguladas a través de la Ley de Aire Limpio. Los convertidores catalíticos, ubicados entre el motor y el tubo de escape de un automóvil, pueden reducir significativamente la concentración de NOx en el escape, pero requieren altas temperaturas para funcionar, por lo que solo reducirán el NOx después de que un automóvil haya estado funcionando el tiempo suficiente para calentar el convertidor.

Debido a esta diferencia en la capacidad de los convertidores catalíticos para eliminar NOx a diferentes temperaturas, las emisiones de NOx generalmente se leen al arrancar el vehículo y después de funcionar durante 10 minutos. Esto proporciona una cuantificación de la emisión de NOx producida por el automóvil, y también una indicación de la capacidad del convertidor catalítico para eliminar el NOx.

Cuando se añade NOx a una solución que contiene ácido sulfanílico y naftil-etilendiamina, la reacción resultante forma una molécula de colorante azoico de color rosa. La intensidad de este rosa es directamente proporcional a la concentración de NOx en la solución, y se puede medir utilizando un espectrofotómetro UV-VIS para dar una cuantificación de la cantidad de NOx cuando se traza contra los estándares en una curva de calibración.

Ahora que estamos familiarizados con el proceso de formación de NOx, veamos cómo se puede cuantificar la producción de NOx por parte de los automóviles en un entorno experimental.

Para comenzar el experimento, se deben preparar soluciones de detección que reaccionen con el NOx. Para preparar la solución madre de nitrito, primero pese 1,5 g de nitrito de sodio y añádalo a un matraz aforado de 1 L. Añadir agua sin nitritos hasta la marca de 1 L del matraz. Esto produce una solución madre de 1.000 μg de nitrito por mL. Etiquete esta solución madre de manera adecuada. Para hacer una solución de trabajo de 5 μg de nitrito por mililitro, tome un matraz nuevo y agregue 1 mL de la solución madre. Diluir hasta 200 mL.

Para preparar la solución indicadora de NOx, primero se pesan 5 g de ácido sulfanílico anhidro y se añaden a un matraz aforado de 1 L. Al mismo matraz, agregue 500 mL de agua libre de nitritos, luego 140 mL de acético glacial. Agite la solución hasta que el ácido sulfanílico se disuelva.

A continuación, pese 20 mg de naftiletilendiamina y añádalo al matraz. Por último, llene el matraz hasta la línea de 1 litro con agua sin nitritos. Transfiera la solución a un frasco oscuro para evitar la fotodescomposición, tape herméticamente y etiquete adecuadamente.

Para generar una curva estándar, es necesario crear patrones de calibración. En primer lugar, coloque 1 mL de la solución madre de nitrito de 5,0 μg en un matraz aforado de 25 mL y diluya con la solución indicadora de NOx hasta la marca de calibración. Esto hace que la solución sea un estándar de 0,2 μg de NO2-/mL.

A continuación, prepare soluciones estándar de 0,4, 0,6, 0,8 y 1 μg de NO2-/mL añadiendo soluciones de nitrito de 2, 3, 4 y 5 mL a matraces separados de 25 mL, y llene cada uno hasta la marca con una solución indicadora de NOx.

Usando un espectrofotómetro UV-VIS, configure el instrumento para leer la absorbancia. A continuación, establezca la longitud de onda en 550 nanómetros. Agregue la solución indicadora de NOx a una celda de muestra de espectrofotómetro limpia y utilícela para poner a cero el espectrofotómetro. Finalmente, mida la absorbancia de las cinco soluciones estándar y registre los valores.

Para comenzar las lecturas, encienda el automóvil con motor diesel. Tome una jeringa hermética al gas de 60 ml e insértela unos centímetros en el tubo de escape, teniendo cuidado de evitar quemaduras o inhalar vapores. Aspire y expulse el escape dos veces para acondicionar la jeringa.

A continuación, extraiga 25 ml de la solución indicadora de NOx en la jeringa. Expulse el aire de la jeringa sin derramar la solución indicadora. Finalmente, extraiga 35 mL de escape en la jeringa, tirando del émbolo hasta la marca de 60 mL, luego retire y tape la jeringa.

Agite la solución en la jeringa con la mano durante 2 minutos. Cubra la jeringa con papel de aluminio. Finalmente, mida la temperatura del aire en el tubo de escape de la muestra. Repita el proceso de muestreo con un automóvil a gasolina y cualquier otro modelo o diseño de automóvil que desee.

Repita el experimento después de que los vehículos hayan estado funcionando durante al menos 10 minutos. Una vez que se hayan recolectado todas las muestras, espere 45 minutos para permitir que se desarrolle el color. Finalmente, expulse el gas de las jeringas y coloque las soluciones indicadoras de muestra en cubetas individuales. Mida la absorbancia con el espectrofotómetro ajustado a 550 nm y registre los valores.

Utilizando las mediciones de absorbancia de las soluciones estándar, haga un gráfico de absorbancia frente a la concentración de nitrito. Determine la línea de mejor ajuste de los datos. Usando esta línea de mejor ajuste, calcule la concentración de nitrito en cada solución de prueba. Este valor se puede convertir en dióxido de nitrógeno en el escape.

La concentración de dióxido de nitrógeno calculada representa en realidad la totalidad de los NOx en la muestra de escape. La conversión de ppmV, o partes por millón por volumen a μg/L, depende de la temperatura y la presión a la que se recogieron las muestras.

Los automóviles no son la única fuente de NOx. El seguimiento de su producción es importante en una amplia gama de campos.

El humo del cigarrillo a menudo contiene una concentración más alta de NOx que la emitida por los motores de los automóviles. Los valores típicos de NOx en el humo del cigarrillo oscilan entre 500 y 800 ppm, en comparación con las 21 y 48 ppm de las emisiones de un automóvil de gasolina, o alrededor de 500 ppm para un vehículo diésel. Esto puede resultar en una variedad de problemas de salud personal, como bronquitis, irritación de la nariz y la garganta, infecciones respiratorias o bloqueo de la transferencia de oxígeno en el torrente sanguíneo. Los niveles de NOx en el humo del cigarrillo también se pueden cuantificar utilizando los métodos que se muestran en este video.

Las bacterias nitrificantes se encuentran en el suelo y el agua, y desempeñan un papel importante en el ciclo del nitrógeno, oxidando el amoníaco a nitrito y luego a nitrato. Al igual que con los gases de escape y el humo del cigarrillo, los niveles de NOx en el suelo también se pueden examinar y cuantificar colorimétricamente.

Los nitratos y nitritos también se pueden encontrar en cantidades medibles en los productos alimenticios. En el caso de los alimentos curados, se pueden añadir nitratos y nitritos como conservantes, más comúnmente en las carnes y los productos cárnicos. Estos tienen acciones antimicrobianas, así como de fijación y conservación del color, y un importante efecto beneficioso indirecto sobre el sabor. Sin embargo, un contenido demasiado alto de nitritos puede provocar complicaciones médicas, incluida la metahemoglobinemia infantil, o acortar la vida útil de los productos debido a efectos como la quemadura por nitrito. Por lo tanto, el contenido de nitritos en los alimentos curados debe controlarse de cerca, y esto se puede llevar a cabo utilizando una versión modificada de la prueba colorimétrica.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la determinación de NOx. Ahora debería comprender cómo se forman los NOx en los motores de los automóviles, cómo formular soluciones indicadoras de NOx y cómo medir y cuantificar los NOx de los gases de escape de los vehículos.

¡Gracias por mirar!