1.11: Détermination des NOx dans les gaz d'échappement des voitures à l'aide de la spectroscopie UV-VIS

1. préparation de la Solution mère de Nitrite (pas₂^–)

1. Peser avec 1,500 g NaNO₂ et ajouter dans une fiole jaugée de 1 L.
2. Compléter au trait avec de l’eau nanopure. (Vérifier l’eau distillée, de l’eau du robinet, et il peut contenir suffisamment de nitrite pour interférer avec les mesures.) Il en résulte un 1 000 µg aucune solution-mère₂^–/ml.
3. Pour ne faire un 5,0 µg aucun₂^–/ml de solution, ne prélever 1 mL de la 1 000 µg aucune solution_2-/ ml et diluer jusqu'à 200 mL dans une fiole jaugée.

2. Elaboration d’aucune Solution d’indicateur de_x

1. Peser avec 5,0 g d’acide sulfanilique anhydre et ajouter dans une fiole jaugée de 1 L.
2. Ajouter 500 mL d’eau nanopure.
3. Ajouter 140 mL d’acide acétique glacial.
4. À l’aide d’une barre de remuer, agiter la solution jusqu'à dissolution de l’acide sulfanilique. Cela prend environ 30 min.
5. Peser 0,020 g de N-(1-naphthyl)-éthylènediamine dichlorhydrate et verser dans la fiole jaugée.
6. Compléter au trait avec de l’eau nanopure.
7. Transvaser dans un flacon sombre (pour éviter la photodécomposition) et boucher hermétiquement (pour éviter la réaction avec l’air).

3. préparation des étalons

1. Ne mettre à 1,0 mL de la 5,0 µg aucun₂^–/ml de solution dans une fiole jaugée de 25 mL et diluer avec la solution d’indicateur de NO_x de la marque. Cela ne fait un 0,2 µg aucune solution étalon de₂^–/ml.
2. Ne mettre 2,0 mL de la 5,0 µg aucun₂^–/ml de solution dans une fiole jaugée de 25 mL et diluer avec la solution d’indicateur de NO_x de la marque. Cela ne fait un 0,4 µg aucune solution étalon de₂^–/ml.
3. Ne mettre 3,0 mL de la 5,0 µg aucun₂^–/ml de solution dans une fiole jaugée de 25 mL et diluer avec la solution d’indicateur de NO_x de la marque. Cela ne fait un 0,6 µg aucune solution étalon de₂^–/ml.
4. Ne mettez 4,0 mL de la 5,0 µg aucun₂^–/ml de solution dans une fiole jaugée de 25 mL et diluer avec la solution d’indicateur de NO_x de la marque. Cela ne rend une 0,8 µg aucune solution étalon de₂^–/ml.
5. Ne mettre 5,0 mL de la 5,0 µg aucun₂^–/ml de solution dans une fiole jaugée de 25 mL et diluer avec la solution d’indicateur de NO_x de la marque. Cela ne fait un 1,0 µg aucune solution étalon de₂^–/ml.

4. création de la courbe d’étalonnage

1. À l’aide d’un spectrophotomètre UV-VIS, régler l’appareil pour lire l’Absorbance.
2. Sélectionner la longueur d’onde de 550 nm sur le spectrophotomètre.
3. À l’aide de la solution d’indicateur de NO_x , zéro du spectrophotomètre.
4. Mesurer l’absorbance des solutions standards 5. Valeurs Records sur le tableau de données (tableau 1).

5. mesure de l’échantillon d’échappement automobile

1. Démarrer la voiture à moteur diesel.
2. À l’aide d’une seringue de 60 mL étanche aux gaz, insérer quelques pouces dans le tuyau d’échappement. Éviter les brûlures et ne pas respirer fumées. Aspirer et expulser le gaz d’échappement deux fois pour conditionner la seringue.
3. Tirer 25 mL de la solution d’indicateur de NO_x dans la seringue. Expulser tout l’air de la seringue sans répandre la solution d’indicateur.
4. Tirer 35 mL de gaz d’échappement dans la seringue, tirant sur le piston jusqu'à la marque de 60 mL.
5. Capuchon de la seringue. Agiter la solution dans la seringue pendant 2 min. de la couverture de la seringue avec du papier aluminium.
6. Mesurer la température de l’air à l’échappement lors de la collecte des échantillons.
7. Répétez les étapes 5.1 – 5,6 à l’aide d’une voiture fonctionnant à l’essence. Ces étapes peuvent être répétées autant de fois que désiré, à l’aide de différents modèles d’automobiles.
8. Répétez les étapes 5.1 – 5,6 après les automobiles ont été diffusées au moins 10 min.
9. Attendre 45 min pour laisser la couleur se développer, avant de mesurer l’absorbance de la solution.
10. Après le 45 mn sont en hausse, expulser les gaz de la seringue, mettre la solution dans une cuvette et mesurer l’absorbance à l’aide du spectrophotomètre fixé à 550 nm. Valeurs Records sur le tableau de données (tableau 1).

Le tableau 1. Tableau de données vides aux valeurs Records d’absorption.

Un mélange d’oxyde nitrique et de dioxyde d’azote est généralement appelé NOx. En tant que sous-produit présent dans les gaz d’échappement des automobiles, les NOx peuvent être nocifs pour l’environnement, formant de l’ozone troposphérique nocif.

À des températures élevées dans la chambre de combustion d’un moteur, l’azote et l’oxygène de l’air peuvent réagir pour former de l’oxyde nitrique et du dioxyde d’azote. En présence de la lumière du soleil, les NOx réagissent avec les composés organiques volatils de l’atmosphère pour former de l’ozone et d’autres produits. L’ozone troposphérique est un risque pour la santé, pouvant provoquer une irritation des poumons et des yeux, entre autres plaintes, et c’est un composant majeur du smog photochimique.

Cette vidéo illustre les principes qui sous-tendent la production de NOx et d’ozone troposphérique, comment fabriquer des solutions indicatrices et comment mesurer et quantifier la production de NOx à partir des gaz d’échappement des automobiles.

Les voitures routières représentent environ un tiers des émissions de NOx aux États-Unis, et les émissions sont strictement réglementées par le Clean Air Act. Les convertisseurs catalytiques, situés entre le moteur et le tuyau d’échappement d’une voiture, peuvent réduire considérablement la concentration de NOx dans les gaz d’échappement, mais ceux-ci nécessitent des températures élevées pour fonctionner, de sorte qu’ils ne réduiront les NOx qu’une fois qu’une voiture a fonctionné assez longtemps pour réchauffer le convertisseur.

En raison de cette différence dans la capacité des convertisseurs catalytiques à éliminer les NOx à différentes températures, les émissions de NOx sont généralement lues au démarrage du véhicule et après 10 minutes de fonctionnement. Cela donne une quantification des émissions de NOx produites par l’automobile, ainsi qu’une indication de la capacité du convertisseur catalytique à éliminer les NOx.

Lorsque des NOx sont ajoutés à une solution contenant de l’acide sulfanilique et de la naphtyl-éthylènediamine, la réaction résultante forme une molécule de colorant azoïque de couleur rose. L’intensité de ce rose est directement proportionnelle à la concentration de NOx dans la solution, et peut être mesurée à l’aide d’un spectrophotomètre UV-VIS pour donner une quantification de la quantité de NOx lorsqu’elle est tracée par rapport aux étalons dans une courbe d’étalonnage.

Maintenant que nous connaissons le processus de formation des NOx, voyons comment la production de NOx par les automobiles peut être quantifiée dans un cadre expérimental.

Pour commencer l’expérience, des solutions de détection qui réagiront avec les NOx doivent être préparées. Pour préparer la solution mère de nitrite, pesez d’abord 1,5 g de nitrite de sodium et ajoutez-le dans une fiole jaugée de 1 L. Ajoutez de l’eau sans nitrite au repère de 1 L sur la fiole. Cela produit une solution mère de 1 000 μg de nitrite par ml. Étiquetez cette solution mère de manière appropriée. Pour obtenir une solution de travail de 5 μg de nitrite par millilitre, prendre une fiole fraîche et ajouter 1 mL de la solution mère. Diluer à 200 ml.

Pour préparer la solution indicatrice de NOx, peser d’abord 5 g d’acide sulfanilique anhydre et les ajouter à une fiole jaugée de 1 L. Dans la même fiole, ajouter 500 mL d’eau exempte de nitrite, puis 140 mL d’acétique glaciaire. Agitez la solution jusqu’à ce que l’acide sulfanilique se dissolve.

Ensuite, pesez 20 mg de naphtyl-éthylènediamine et ajoutez-le dans le ballon. Enfin, remplissez le ballon jusqu’à la ligne de 1 L avec de l’eau sans nitrite. Transférez la solution dans un flacon foncé pour éviter la photodécomposition, bouchez hermétiquement et étiquetez de manière appropriée.

Pour générer une courbe standard, des étalons d’étalonnage doivent être créés. Tout d’abord, mettre 1 mL de la solution mère de nitrite de 5,0 μg dans une fiole jaugée de 25 mL et diluer avec la solution indicatrice de NOx jusqu’à la marque d’étalonnage. Cela donne une solution étalon de 0,2 μg de NO2/mL.

Ensuite, préparez des solutions étalons de NO2 de 0,4, 0,6, 0,8 et 1 μg par mL en ajoutant des solutions de nitrite de 2, 3, 4 et 5 mL dans des flacons de 25 mL séparés, et remplissez chacun d’eux avec une solution indicatrice de NOx.

À l’aide d’un spectrophotomètre UV-VIS, réglez l’instrument pour qu’il lise l’absorbance. Ensuite, réglez la longueur d’onde sur 550 nanomètres. Ajoutez la solution d’indicateur de NOx dans une cellule d’échantillonnage de spectrophotomètre propre et utilisez-la pour mettre le spectrophotomètre à zéro. Enfin, mesurez l’absorbance des cinq solutions étalons et notez les valeurs.

Pour commencer les lectures, démarrez l’automobile à moteur diesel. Prenez une seringue étanche au gaz de 60 ml et insérez-la à quelques centimètres dans le tuyau d’échappement, en prenant soin d’éviter les brûlures ou l’inhalation de vapeurs. Aspirez et expulsez l’échappement deux fois pour conditionner la seringue.

Ensuite, aspirez 25 mL de la solution indicatrice de NOx dans la seringue. Expulsez l’air de la seringue sans renverser la solution indicatrice. Enfin, aspirez 35 ml de gaz d’échappement dans la seringue, en tirant le piston jusqu’à la marque de 60 ml, puis retirez et bouchez la seringue.

Agitez la solution dans la seringue à la main pendant 2 min. Couvrez la seringue d’une feuille d’aluminium. Enfin, mesurez la température de l’air au niveau du tuyau d’échappement de l’échantillon. Répétez le processus d’échantillonnage avec une automobile à essence et tout autre modèle ou modèle d’automobile souhaité.

Répétez l’expérience après que les véhicules aient roulé pendant au moins 10 minutes. Une fois tous les échantillons prélevés, attendez 45 min pour permettre à la couleur de se développer. Enfin, expulsez le gaz des seringues et placez les solutions indicatrices d’échantillon dans des cuvettes individuelles. Mesurez l’absorbance à l’aide du spectrophotomètre réglé à 550 nm et notez les valeurs.

À l’aide des mesures d’absorbance des solutions étalons, tracer l’absorbance en fonction de la concentration de nitrite. Déterminez la ligne la mieux ajustée des données. À l’aide de cette ligne de meilleur ajustement, calculez la concentration de nitrite dans chaque solution d’essai. Cette valeur peut ensuite être convertie en dioxyde d’azote dans les gaz d’échappement.

La concentration de dioxyde d’azote calculée représente en fait la totalité des NOx dans l’échantillon de gaz d’échappement. La conversion en ppmV, ou parties par million en volume en ?g/L, dépend de la température et de la pression auxquelles les échantillons ont été prélevés.

Les automobiles ne sont pas la seule source de NOx. Le suivi de sa production est important dans un large éventail de domaines.

La fumée de cigarette contient souvent une concentration plus élevée de NOx que celle émise par les moteurs d’automobile. Les valeurs typiques de NOx dans la fumée de cigarette varient de 500 à 800 ppm, contre 21 à 48 ppm pour les émissions d’une voiture à essence, ou environ 500 ppm pour un véhicule diesel. Cela peut entraîner divers problèmes de santé personnels, notamment une bronchite, une irritation du nez et de la gorge, des infections respiratoires ou un blocage du transfert d’oxygène dans la circulation sanguine. Les niveaux de NOx dans la fumée de cigarette peuvent également être quantifiés à l’aide des méthodes présentées dans cette vidéo.

Les bactéries nitrifiantes se trouvent dans le sol et l’eau et jouent un rôle important dans le cycle de l’azote, oxydant l’ammoniac en nitrite, puis en nitrate. Comme pour les gaz d’échappement et la fumée de cigarette, les niveaux de NOx dans le sol peuvent également être examinés et quantifiés colorimétriquement.

Les nitrates et les nitrites peuvent également être trouvés en quantités mesurables dans les produits alimentaires. Pour les aliments salés, des nitrates et des nitrites peuvent être ajoutés comme conservateurs, le plus souvent dans les viandes et les produits carnés. Ceux-ci ont des actions antimicrobiennes ainsi que de fixation et de préservation de la couleur, et un effet bénéfique indirect significatif sur la saveur. Cependant, une teneur trop élevée en nitrites peut entraîner des complications médicales, notamment une méthémoglobinémie infantile, ou entraîner une réduction de la durée de conservation des produits en raison d’effets tels que la brûlure aux nitrites. La teneur en nitrites des aliments salés doit donc être surveillée de près, ce qui peut être effectué à l’aide d’une version modifiée du test colorimétrique.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la détermination des NOx. Vous devez maintenant comprendre comment les NOx se forment dans les moteurs automobiles, comment formuler des solutions d’indicateurs de NOx et comment mesurer et quantifier les NOx des gaz d’échappement des véhicules.

Merci d’avoir regardé !