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Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University
Nella troposfera, l'ozono si forma naturalmente quando la luce solare divide il biossido di azoto (NO2):
NO2 + luce solare → NO + O
O + O2 → O3
L'ozono (O3)può continuare a reagire con l'ossido nitrico (NO) per formare biossido di azoto (NO2)e ossigeno:
NO + O3 → NO2 + O2
Ciò non comporta alcun guadagno netto di ozono (O3). Tuttavia, con la produzione antropogenica di precursori che formano ozono (NO, NO2e composti organici volatili) attraverso la combustione di combustibili fossili, sono stati trovati livelli elevati di ozono nella troposfera. I gas di scarico dei veicoli a motore sono una fonte significativa di questi precursori che formano ozono: NO, NO2e composti organici volatili (COV). Ad esempio, le fonti mobili costituiscono quasi il 60% delle emissioni di NO + NO2.
Alle alte temperature che si trovano nella camera di combustione di un'auto, l'azoto e l'ossigeno dall'aria reagiscono per formare ossido nitrico (NO) e biossido di azoto (NO2):
N2(g) + O2(g)→ 2 NO(g)
2 NO(g) + O2(g)→ 2 NO2(g)
L'ossido nitrico (NO) emesso nello scarico dell'auto viene gradualmente ossidato a biossido di azoto (NO2) nell'aria ambiente. Questa miscela di NO e NO2 è spesso indicata come NOx. Quando NOx reagisce con composti organici volatili nell'atmosfera in presenza di luce solare, si forma ozono troposferico, come si vede in questa reazione chimica semplificata:
NOx + COV + luce solare → O3 + altri prodotti
Questa miscela nociva di inquinamento atmosferico, che può includere aldeidi, nitrati perossiacetilici, ozono, COV e NOx,è chiamata smog fotochimico. L'ozono è il componente più grande dello smog fotochimico. Questo smog si trova in tutte le città moderne, ma si trova soprattutto nelle città con climi soleggiati, caldi e secchi e un gran numero di veicoli a motore. Il colore giallo-marrone dello smog nell'aria è dovuto in parte al biossido di azoto presente, poiché questo gas assorbe la luce visibile vicino a 400 nm (Figura 1).
L'esposizione a breve termine a NO2 (da 30 minuti a 1 giorno) porta a effetti respiratori avversi nelle persone sane e aumento dei sintomi respiratori nelle persone con asma. NOx reagisce con l'ammoniaca e altri composti per formare particolato. Queste piccole particelle possono penetrare nei polmoni e causare problemi respiratori, tra cui enfisema e bronchite. Gli individui che trascorrono molto tempo sulla strada o che vivono vicino a una carreggiata sperimentano un'esposizione notevolmente più elevata a NO2.
A causa dell'impatto che ha sulla salute umana e sull'ambiente, l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) ha classificato NO2 come inquinante criterio e ha fissato lo standard primario a 100 ppb (98 ° percentile di concentrazioni massime giornaliere di 1 ora, in media su 3 anni) e 53 ppb (media annuale). Considerando che i veicoli su strada rappresentano circa 1/3 delle emissioni di NOx negli Stati Uniti, le emissioni delle automobili sono quindi regolate dal Clean Air Act. L'EPA degli Stati Uniti ha stabilito standard di emissione che i produttori di automobili devono seguire quando producono automobili. Attualmente, gli standard di emissione Tier 2 stabiliscono che i produttori devono avere emissioni medie di NOx della flotta non superiori a 0,07 g / miglio.
Un modo in cui i produttori soddisfano questo standard è utilizzando convertitori catalitici sulle loro auto. Questo dispositivo è posizionato tra il motore e il tubo di scarico. Il flusso di scarico passa attraverso il convertitore catalitico ed è esposto a un catalizzatore. Un catalizzatore di riduzione di platino e rodio viene utilizzato per ridurre la concentrazione di NOx nello scarico. Quando una molecola di NO o NO2 nello scarico entra in contatto con il catalizzatore, l'atomo di azoto viene afferrato dalla molecola e trattenuto dal catalizzatore. L'ossigeno viene liberato e forma O2. L'atomo di azoto sul catalizzatore si lega con un altro atomo di azoto tenuto sul catalizzatore per formare N2.
I convertitori catalitici hanno notevolmente ridotto le emissioni di NOx dallo scarico dell'auto – fino all'80% di riduzione, se funzionano correttamente. Tuttavia, funzionano solo quando hanno raggiunto una temperatura abbastanza elevata. Pertanto, quando si esegue una partenza a freddo di un'auto, il convertitore catalitico sta rimuovendo praticamente no NOx. Non è fino a quando il convertitore catalitico raggiunge temperature più elevate che rimuove efficacemente l'NOx dal flusso di scarico. I convertitori catalitici non funzionano sulle autovetture diesel a causa delle condizioni di magra in cui operano. Inoltre, lo zolfo nel gasolio disattiva anche il catalizzatore. Gli NOx nei motori diesel sono ridotti principalmente attraverso la valvola di ricircolo dei gas di scarico (EGR), che raffredda la temperatura dei gas di combustione. Di conseguenza, le auto diesel generalmente emettono più NOx rispetto alle auto a benzina.
Figura 1. Colorazione caratteristica per lo smog in California nel banco di nuvole beige dietro il Golden Gate Bridge. La colorazione marrone è dovuta al NOx nello smog fotochimico.
1. Preparazione del nitrito (NO2-) Soluzione stock
2. Preparazione della soluzione di indicatore NOx
3. Preparazione degli standard di taratura
4. Creazione della curva standard
5. Misurazione del campione di scarico dell'automobile
| Campione | Assorbanza |
| 0,2 μg NO2-/mL standard | |
| 0,4 μg NO2-/mL standard | |
| 0,6 μg NO2-/mL standard | |
| 0,8 μg NO2-/mL standard | |
| 1,0 μg NO2-/mL standard | |
| Scarico auto diesel (all'avvio) | |
| Scarico auto diesel (dopo 10 minuti) | |
| Scarico auto a benzina (all'avvio) | |
| Scarico auto a benzina (dopo aver funzionato 10 min) |
Tabella 1. Tabella dati vuota per registrare i valori di assorbimento.
Una miscela di ossido nitrico e biossido di azoto è generalmente indicata come NOx. Come sottoprodotto trovato nello scarico delle automobili, NOx può essere dannoso per l'ambiente, formando ozono troposferico dannoso.
A temperature elevate nella camera di combustione di un motore, l'azoto e l'ossigeno dell'aria possono reagire per formare ossido nitrico e biossido di azoto. In presenza di luce solare, NOx reagisce con composti organici volatili nell'atmosfera per formare ozono e altri prodotti. L'ozono troposferico è un rischio per la salute, causando potenzialmente irritazione polmonare e oculare tra le altre lamentele, ed è una 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 strettamente regolate attraverso il Clean Air Act. I convertitori catalitici, situati tra il motore e il tubo di scarico di un'auto, possono ridurre significativamente la concentrazione di NOx nello scarico, ma questi richiedono alte temperature per funzionare, quindi ridurranno solo NOx dopo che un'automobile ha funzionato abbastanza a lungo da riscaldare il convertitore.
A causa di questa differenza nella capacità dei convertitori catalitici di rimuovere NOx a temperature diverse, le emissioni di NOx vengono in genere lette all'avvio del veicolo e dopo aver funzionato per 10 minuti. Questo dà una quantificazione dell'emissione di NOx prodotta dall'automobile, e anche un'indicazione della capacità del convertitore catalitico di rimuovere il NOx.
Quando 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 dare una quantificazione della quantità di NOx quando tracciata rispetto agli standard in una curva di calibrazione.
Ora che abbiamo familiarità con il processo di formazione di NOx, diamo un'occhiata a come la produzione di NOx da parte delle automobili può essere quantificata in un ambiente sperimentale.
Per iniziare l'esperimento, è necessario preparare soluzioni di rilevamento che reagiranno con l'NOx. Per preparare la soluzione stock 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 di 1 L sul matraccio. Questo produce una soluzione stock di 1.000 μg di nitrito per mL. Etichettare questa soluzione stock in modo appropriato. Per realizzare una soluzione di lavoro di 5 μg di nitrito per millilitro, prendere un pallone fresco e aggiungere 1 mL della soluzione stock. Diluire a 200 ml.
Per preparare la soluzione indicatore NOx, pesare prima 5 g di acido solfanilico anidro e aggiungere a un matraccio volumetrico da 1 L. Allo stesso pallone, aggiungere 500 ml di acqua priva di nitriti, quindi 140 ml di acetico glaciale. Ruotare la soluzione, fino a quando l'acido sulfanilico si dissolve.
Quindi, pesare 20 mg di naftil-etilendiammina e aggiungerlo al pallone. Infine, riempire il pallone fino alla linea da 1 L con acqua priva di nitriti. Trasferire la soluzione in una bottiglia scura per evitare la fotodecomposizione, tappare saldamente ed etichettare in modo appropriato.
Per generare una curva standard, è necessario creare standard di calibrazione. In primo luogo, mettere 1 mL della soluzione stock di nitriti da 5,0 μg in un matraccio taratura da 25 mL e diluire con la soluzione dell'indicatore NOx sul segno di calibrazione. Questo rende una soluzione standard di 0,2 μg NO2-/mL.
Quindi, preparare soluzioni standard da 0,4, 0,6, 0,8 e 1 μg NO2-/mL aggiungendo soluzioni di nitriti da 2, 3, 4 e 5 ml per separare i palloni da 25 ml e riempi ciascuno fino al segno con la soluzione di indicatore NOx.
Utilizzando uno spettrofotometro UV-VIS, impostare lo strumento per leggere l'assorbanza. Quindi, impostare 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 alimentata a diesel. Prendi una siringa a tenuta di gas da 60 ml e inseriscila di qualche centimetro nel tubo di coda, avendo cura di evitare ustioni o fumi inalanti. Aspirare ed espellere lo scarico due volte per condizionare la siringa.
Quindi, aspirare 25 mL della soluzione di indicatore NOx nella siringa. Espellere l'aria dalla siringa senza versare la soluzione dell'indicatore. Infine, aspirare 35 mL di gas di scarico nella siringa, tirando lo stantuffo fino al segno di 60 ml, quindi prelevare e tappare la siringa.
Agitare la soluzione nella siringa a mano 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 alimentata 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 di indicatori campione in singole cuvette. Misurare l'assorbanza utilizzando lo spettrofotometro impostato a 550 nm e registrare i valori.
Utilizzando le misure di assorbanza delle soluzioni standard, fare un grafico di assorbanza rispetto alla concentrazione di nitriti. Determinare la linea più adatta dei dati. Utilizzando questa linea più adatta, calcolare la concentrazione di nitriti 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 tutto l'NOx nel campione di scarico. La conversione ppmV, o parti per milione in volume in μg/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 maggiore concentrazione di NOx rispetto a quella emessa dai motori delle automobili. I valori tipici per NOx nel fumo di sigaretta vanno da 500-800 ppm, rispetto a 21-48 ppm per le emissioni di un'auto a benzina o circa 500 ppm per un veicolo diesel. Ciò può causare una varietà di problemi di salute personali, tra cui bronchite, irritazione del naso e della gola, infezioni respiratorie o blocco del trasferimento di ossigeno nel sangue. 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 nitrato. Come per i fumi di scarico e il fumo di sigaretta, anche i livelli di NOx nel suolo possono essere esaminati e quantificati colorimetricamente.
Nitrati e nitriti possono anche essere trovati in quantità misurabili nei prodotti alimentari. Per i salumi, nitrati e nitriti possono essere aggiunti come conservante, più comunemente nelle carni e nei prodotti a base di carne. Questi hanno azioni antimicrobiche e di fissazione e conservazione 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 di NOx. Ora dovresti capire come si forma NOx nei motori delle automobili, come formulare soluzioni di indicatori NOx e come misurare e quantificare NOx dai gas di scarico dei veicoli.
Grazie per l'attenzione!
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!
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