Determinazione degli ossidi di azoto (NO _x) nei gas di scarico delle automobili tramite l'uso della spettroscopia UV-VIS

Una miscela di ossido nitrico e biossido di azoto è generalmente indicata come NOx. Come sottoprodotto presente negli scarichi delle automobili, gli NOx possono essere dannosi per l'ambiente, formando dannoso ozono troposferico.

Ad alte temperature nella camera di combustione di un motore, l'azoto e l'ossigeno dell'aria possono reagire formando ossido nitrico e biossido di azoto. In presenza di luce solare, gli NOx reagiscono con i composti organici volatili presenti nell'atmosfera per formare ozono e altri prodotti. L'ozono troposferico è un rischio per la salute, che può causare irritazione ai polmoni e agli occhi, tra le altre patologie, ed è un componente importante dello smog fotochimico.

Questo video illustrerà i principi alla base della produzione di NOx e ozono troposferico, come fabbricare soluzioni di indicatori e come misurare e quantificare la produzione di NOx dagli scarichi delle automobili.

Le automobili su strada rappresentano circa un terzo delle emissioni di NOx negli Stati Uniti e le emissioni sono rigorosamente regolate dal Clean Air Act. I convertitori catalitici, situati tra il motore e il tubo di scappamento di un'auto, possono ridurre significativamente la concentrazione di NOx nello scarico, ma richiedono temperature elevate per funzionare, quindi ridurranno gli NOx solo dopo che un'automobile è stata in funzione abbastanza a lungo da riscaldare il convertitore.

A causa di questa differenza nella capacità dei convertitori catalitici di rimuovere gli NOx a temperature diverse, le emissioni di NOx vengono in genere lette all'avvio del veicolo e dopo un funzionamento di 10 minuti. Ciò fornisce una quantificazione delle emissioni di NOx prodotte dall'automobile e anche un'indicazione della capacità del convertitore catalitico di rimuovere gli NOx.

Quando l'NOx viene aggiunto a una soluzione contenente acido sulfanilico e naftil-etilendiammina, la reazione risultante forma una molecola di colorante azoico di colore rosa. L'intensità di questo rosa è direttamente proporzionale alla concentrazione di NOx nella soluzione e può essere misurata utilizzando uno spettrofotometro UV-VIS per fornire una quantificazione della quantità di NOx quando viene tracciata rispetto agli standard in una curva di calibrazione.

Ora che abbiamo familiarità con il processo di formazione degli NOx, diamo un'occhiata a come la produzione di NOx da parte delle automobili può essere quantificata in un contesto sperimentale.

Per iniziare l'esperimento, è necessario preparare soluzioni di rilevamento che reagiscano con gli NOx. Per preparare la soluzione madre di nitriti, pesare prima 1,5 g di nitrito di sodio e aggiungerlo a un matraccio tarato da 1 L. Aggiungere acqua priva di nitriti al segno da 1 L sul pallone. Questo produce una soluzione madre di 1.000 μg di nitrito per mL. Etichettare questa soluzione madre in modo appropriato. Per ottenere una soluzione di lavoro di 5 μg di nitrito per millilitro, prelevare un pallone nuovo e aggiungere 1 mL di soluzione madre. Diluire a 200 mL.

Per preparare la soluzione dell'indicatore di NOx, pesare prima 5 g di acido sulfanilico anidro e aggiungerlo a un matraccio tarato da 1 L. Allo stesso pallone, aggiungere 500 ml di acqua priva di nitriti, quindi 140 ml di acetico glaciale. Agitare la soluzione, fino a quando l'acido sulfanilico non si scioglie.

Quindi, pesare 20 mg di naftil-etilendiammina e aggiungerlo al pallone. Infine, riempire il pallone fino alla linea da 1 litro con acqua priva di nitriti. Trasferire la soluzione in un flacone scuro per evitare la fotodecomposizione, tappare ermeticamente ed etichettare in modo appropriato.

Per generare una curva standard, è necessario creare standard di calibrazione. Per prima cosa, mettere 1 mL della soluzione madre di nitrito da 5,0 μg in un matraccio tarato da 25 mL e diluire con la soluzione indicatore NOx fino al segno di calibrazione. Ciò rende una soluzione standard di 0,2 μg di NO2-/mL.

Quindi, preparare soluzioni standard 0,4, 0,6, 0,8 e 1 μg di NO2-/mL aggiungendo 2, 3, 4 e 5 mL di soluzioni di nitrito per separare i palloni da 25 mL e riempire ciascuno di essi con la soluzione indicatrice di NOx.

Utilizzando uno spettrofotometro UV-VIS, impostare lo strumento per la lettura dell'assorbanza. Quindi, imposta la lunghezza d'onda su 550 nanometri. Aggiungere la soluzione dell'indicatore NOx a una cella campione dello spettrofotometro pulita e utilizzarla per azzerare lo spettrofotometro. Infine, misurare l'assorbanza delle cinque soluzioni standard e registrare i valori.

Per iniziare le letture, avviare l'automobile diesel. Prendi una siringa a tenuta di gas da 60 ml e inseriscila per qualche centimetro nel tubo di scappamento, facendo attenzione a evitare ustioni o inalazioni di fumi. Aspirare ed espellere due volte lo scarico per condizionare la siringa.

Quindi, aspirare 25 mL della soluzione dell'indicatore NOx nella siringa. Espellere l'aria dalla siringa senza versare la soluzione indicatrice. Infine, aspirare 35 ml di scarico nella siringa, tirando lo stantuffo fino a 60 ml, quindi estrarre e tappare la siringa.

Agitare la soluzione nella siringa con le mani per 2 minuti. Coprire la siringa con un foglio di alluminio. Infine, misurare la temperatura dell'aria sul tubo di coda del campione. Ripetere il processo di campionamento con un'automobile a benzina e qualsiasi altro modello o design di automobile desiderato.

Ripeti l'esperimento dopo che i veicoli sono stati in funzione per almeno 10 minuti. Una volta raccolti tutti i campioni, attendere 45 minuti per consentire lo sviluppo del colore. Infine, espellere il gas dalle siringhe e posizionare le soluzioni dell'indicatore del campione in cuvette individuali. Misurare l'assorbanza utilizzando lo spettrofotometro impostato a 550 nm e registrare i valori.

Utilizzando le misure di assorbanza delle soluzioni standard, creare un grafico dell'assorbanza rispetto alla concentrazione di nitrito. Determinare la linea di adattamento più adatta dei dati. Utilizzando questa linea di adattamento, calcolare la concentrazione di nitrito in ciascuna soluzione di prova. Questo valore può quindi essere convertito in biossido di azoto nello scarico.

La concentrazione di biossido di azoto calcolata rappresenta in realtà tutti gli NOx nel campione di gas di scarico. La conversione ppmV, o parti per milione in volume in ?g/L, dipende dalla temperatura e dalla pressione a cui sono stati raccolti i campioni.

Le automobili non sono l'unica fonte di NOx. Il monitoraggio della sua produzione è importante in una vasta gamma di settori.

Il fumo di sigaretta contiene spesso una concentrazione di NOx più elevata di quella emessa dai motori delle automobili. I valori tipici di NOx nel fumo di sigaretta variano da 500 a 800 ppm, rispetto a 21-48 ppm per le emissioni di un'auto a benzina o a circa 500 ppm per un veicolo diesel. Ciò può causare una serie di problemi di salute personale, tra cui bronchite, irritazione del naso e della gola, infezioni respiratorie o blocco del trasferimento di ossigeno nel flusso sanguigno. I livelli di NOx nel fumo di sigaretta possono anche essere quantificati utilizzando i metodi mostrati in questo video.

I batteri nitrificanti si trovano nel suolo e nell'acqua e svolgono un ruolo importante nel ciclo dell'azoto, ossidando l'ammoniaca in nitrito e quindi in nitrato. Come per i gas di scarico e il fumo di sigaretta, anche i livelli di NOx nel suolo possono essere esaminati e quantificati colorimetricamente.

Nitrati e nitriti si trovano anche in quantità misurabili nei prodotti alimentari. Per gli alimenti stagionati, nitrati e nitriti possono essere aggiunti come conservanti, più comunemente nelle carni e nei prodotti a base di carne. Questi hanno azioni antimicrobiche, fissanti e conservanti del colore e un significativo effetto benefico indiretto sul sapore. Tuttavia, un contenuto troppo elevato di nitriti può portare a complicazioni mediche, tra cui la metaemoglobinemia infantile, o causare una riduzione della durata di conservazione dei prodotti a causa di effetti come l'ustione da nitriti. Il contenuto di nitriti negli alimenti stagionati deve quindi essere monitorato attentamente, e questo può essere effettuato utilizzando una versione modificata del test colorimetrico.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla determinazione degli NOx. A questo punto dovresti capire come si forma l'NOx nei motori delle automobili, come formulare soluzioni di indicatori di NOx e come misurare e quantificare l'NOx dai gas di scarico dei veicoli.

Grazie per l'attenzione!