$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mieszanina tlenku azotu i dwutlenku azotu jest ogólnie określana jako NOx. Jako produkt uboczny znajdujący się w spalinach samochodowych, NOx może być szkodliwy dla środowiska, tworząc szkodliwy ozon troposferyczny.
W wysokich temperaturach w komorze spalania silnika azot i tlen z powietrza mogą reagować, tworząc tlenek azotu i dwutlenek azotu. W obecności światła słonecznego NOx reaguje z lotnymi związkami organicznymi w atmosferze, tworząc ozon i inne produkty. Ozon troposferyczny stanowi zagrożenie dla zdrowia, potencjalnie powodując między innymi podrażnienie płuc i oczu, a także jest głównym składnikiem smogu fotochemicznego.
Ten film zilustruje zasady rządzące produkcją NOx i ozonu troposferycznego, sposób wytwarzania roztworów wskaźnikowych oraz sposób pomiaru i ilościowego określania produkcji NOx ze spalin samochodowych.
Samochody poruszające się po drogach odpowiadają za około jedną trzecią emisji NOx w USA, a emisje są ściśle regulowane przez ustawę o czystym powietrzu. Katalizatory, umieszczone między silnikiem samochodu a rurą wydechową, mogą znacznie zmniejszyć stężenie NOx w spalinach, ale wymagają one wysokich temperatur do działania, więc zmniejszą NOx dopiero po tym, jak samochód będzie pracował wystarczająco długo, aby ogrzać konwerter.
Ze względu na tę różnicę w zdolności katalizatorów do usuwania NOx w różnych temperaturach, emisje NOx są zwykle odczytywane po uruchomieniu pojazdu i po 10 minutach pracy. Daje to ilościowe określenie emisji NOx wytwarzanej przez samochód, a także wskazanie zdolności katalizatora do usuwania NOx.
Po dodaniu NOx do roztworu zawierającego kwas sulfanilowy i naftylo-etylenodiaminę, wynikowa reakcja tworzy cząsteczkę barwnika azowego o różowym zabarwieniu. Intensywność tego różowego koloru jest wprost proporcjonalna do stężenia NOx w roztworze i może być mierzona za pomocą spektrofotometru UV-VIS w celu ilościowego określenia ilości NOx na wykresie w stosunku do wzorców na krzywej kalibracyjnej.
Teraz, gdy jesteśmy już zaznajomieni z procesem powstawania NOx, przyjrzyjmy się, w jaki sposób produkcja NOx przez samochody może być określona ilościowo w warunkach eksperymentalnych.
Aby rozpocząć eksperyment, należy przygotować roztwory detekcyjne, które będą reagować z NOx. Aby przygotować roztwór podstawowy azotynów, należy najpierw odważyć 1,5 g azotynu sodu i dodać go do kolby miarowej o pojemności 1 l. Dodać wodę wolną od azotynów do oznaczenia 1 l na kolbie. W ten sposób powstaje roztwór podstawowy o stężeniu 1 000 μg azotynów na ml. Odpowiednio oznaczyć ten roztwór podstawowy. Aby przygotować roztwór roboczy o stężeniu 5 μg azotynów na mililitr, weź świeżą kolbę i dodaj 1 ml roztworu podstawowego. Rozcieńczyć do 200 ml.
Aby przygotować roztwór wskaźnika NOx, należy najpierw odważyć 5 g bezwodnego kwasu sulfanilowego i dodać do 1-litrowej kolby miarowej. Do tej samej kolby dodać 500 ml wody wolnej od azotynów, a następnie 140 ml octu lodowcowego. Mieszaj roztwór, aż kwas sulfanilowy się rozpuści.
Następnie odważyć 20 mg naftylo-etylenodiaminy i dodać ją do kolby. Na koniec napełnić kolbę do linii 1 l wodą wolną od azotynów. Przenieś roztwór do ciemnej butelki, aby zapobiec fotorozkładowi, szczelnie zakorkować i odpowiednio oznaczyć.
Aby wygenerować krzywą standardową, należy utworzyć wzorce kalibracyjne. Najpierw umieścić 1 ml 5,0-μg roztworu podstawowego azotynów w kolbie miarowej o pojemności 25 ml i rozcieńczyć roztworem wskaźnika NOx do znaku kalibracji. Daje to 0,2 μg NO2-/ml roztworu wzorcowego.
Następnie przygotować roztwory wzorcowe o stężeniu 0,4, 0,6, 0,8 i 1 μg NO2/ml, dodając 2, 3, 4 i 5 ml roztworów azotynów do oddzielnych kolb o pojemności 25 ml i napełnić każdą z nich roztworem wskaźnika NOx do kreski.
Za pomocą spektrofotometru UV-VIS ustaw przyrząd na odczyt absorbancji. Następnie ustaw długość fali na 550 nanometrów. Dodać roztwór wskaźnika NOx do czystej celi próbki spektrofotometru i użyć go do wyzerowania spektrofotometru. Na koniec zmierz absorbancję pięciu roztworów wzorcowych i zapisz wartości.
Aby rozpocząć odczyty, uruchom samochód napędzany olejem napędowym. Weź gazoszczelną strzykawkę o pojemności 60 ml i włóż ją na kilka centymetrów do rury wydechowej, uważając, aby uniknąć oparzeń lub wdychania oparów. Wciągnąć i usunąć wydech dwukrotnie, aby kondycjonować strzykawkę.
Następnie pobrać 25 ml roztworu wskaźnika NOx do strzykawki. Usunąć powietrze ze strzykawki, nie rozlewając roztworu wskaźnika. Na koniec należy pobrać 35 ml spalin do strzykawki, pociągając tłok do oznaczenia 60 ml, a następnie wyjąć strzykawkę i zakręcić ją.
Potrząsać roztworem w strzykawce ręcznie przez 2 minuty. Przykryć strzykawkę folią aluminiową. Na koniec zmierz temperaturę powietrza na rurze wydechowej próbki. Powtórz proces pobierania próbek w przypadku samochodu napędzanego benzyną i dowolnego innego pożądanego modelu lub konstrukcji samochodu.
Powtórz eksperyment po tym, jak pojazdy będą pracowały przez co najmniej 10 minut. Po zebraniu wszystkich próbek odczekaj 45 minut, aby mógł rozwinąć się kolor. Na koniec usunąć gaz ze strzykawek i umieścić roztwory wskaźnikowe próbki w poszczególnych kuwetach. Zmierzyć absorbancję za pomocą spektrofotometru ustawionego na 550 nm i zapisać wartości.
Korzystając z pomiarów absorbancji roztworów wzorcowych, należy wykonać wykres absorbancji w funkcji stężenia azotynów. Określ najlepiej dopasowany wiersz danych. Korzystając z tej najlepiej dopasowanej linii, obliczyć stężenie azotynów w każdym roztworze testowym. Wartość ta może być następnie przekształcona w dwutlenek azotu w spalinach.
Obliczone stężenie dwutlenku azotu odpowiada w rzeczywistości całemu NOx w próbce spalin. Przeliczanie ppmV, czyli części na milion objętościowo na ?g/l, zależy od temperatury i ciśnienia, w których pobrano próbki.
Samochody nie są jedynym źródłem NOx. Monitorowanie jego produkcji jest ważne w wielu dziedzinach.
Dym papierosowy często zawiera wyższe stężenie NOx niż emitowane przez silniki samochodowe. Typowe wartości NOx w dymie papierosowym wahają się od 500-800 ppm, w porównaniu do 21-48 ppm dla emisji z samochodu benzynowego lub około 500 ppm dla pojazdu z silnikiem Diesla. Może to powodować różne problemy zdrowotne, w tym zapalenie oskrzeli, podrażnienie nosa i gardła, infekcje dróg oddechowych lub blokowanie przepływu tlenu w krwiobiegu. Poziomy NOx w dymie papierosowym można również określić ilościowo za pomocą metod pokazanych w tym filmie.
Bakterie nitryfikacyjne znajdują się w glebie i wodzie i odgrywają ważną rolę w cyklu azotowym, utleniając amoniak do azotynów, a następnie azotanów. Podobnie jak w przypadku spalin i dymu papierosowego, poziomy NOx w glebie można również badać i określać ilościowo kolorymetrycznie.
Azotany i azotyny można również znaleźć w mierzalnych ilościach w produktach spożywczych. W przypadku peklowanej żywności azotany i azotyny mogą być dodawane jako konserwanty, najczęściej do mięsa i produktów mięsnych. Mają one działanie przeciwbakteryjne, utrwalające i konserwujące kolor, a także znaczący pośredni korzystny wpływ na smak. Jednak zbyt wysoka zawartość azotynów może prowadzić do powikłań medycznych, w tym methemoglobinemii u niemowląt, lub powodować skrócenie okresu przydatności do spożycia produktów z powodu skutków takich jak oparzenie azotynami. Dlatego zawartość azotynów w peklowanej żywności powinna być ściśle monitorowana, a można to przeprowadzić za pomocą zmodyfikowanej wersji testu kolorymetrycznego.
Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do oznaczania NOx. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób powstaje NOx w silnikach samochodowych, jak formułować roztwory wskaźników NOx oraz jak mierzyć i określać ilościowo NOx ze spalin samochodowych.
Dzięki za oglądanie!