Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Источник: Лаборатории Маргарет Уоркмэн и Кимберли Фрай - Университет Деполя
В тропосфере озон образуется естественным образом, когда солнечный свет расщепляет диоксид азота (NO2):
NO2 + солнечный свет → НЕТ + O
O + O2 → O3
Озон (O3) может вступать в реакцию с оксидом азота (NO) с образованием диоксида азота (NO2) и кислорода:
НЕТ + O3 → NO2 + O2
Это не приводит к чистому приросту озона (O3). Тем не менее, с антропогенным образованием озонообразующих прекурсоров (NO, NO2 и летучих органических соединений) в результате сжигания ископаемого топлива, были обнаружены повышенные уровни озона в тропосфере. Выхлопные газы автомобилей являются важным источником этих озонообразующих прекурсоров: NO, NO2 и летучих органических соединений (ЛОС). Например, мобильные источники составляют почти 60% выбросов NO + NO2.
При высоких температурах, обнаруженных в камере сгорания автомобиля, азот и кислород из воздуха вступают в реакцию с образованием оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2):
N2(g) + O2 (g)→ 2 NO(g)
2 NO(g) + O2(g)→ 2 NO2(g)
Оксид азота (NO), выделяемый в выхлопных газах автомобиля, постепенно окисляется до диоксида азота (NO2) в окружающем воздухе. Эту смесь NO и NO2 часто называют NOx. Когда NOx реагирует с летучими органическими соединениями в атмосфере в присутствии солнечного света, образуется тропосферный озон, как видно из этой упрощенной химической реакции:
NOx + ЛОС + солнечный → O3 + другие продукты
Эта вредная смесь загрязнения воздуха, которая может включать альдегиды, пероксиацетилнитраты, озон, летучие органические соединения и NOx, называется фотохимическим смогом. Озон является самым крупным компонентом фотохимического смога. Этот смог встречается во всех современных городах, но особенно он встречается в городах с солнечным, теплым, сухим климатом и большим количеством автомобилей. Желто-коричневый цвет смога в воздухе отчасти обусловлен присутствующим в нем диоксидом азота, поскольку этот газ поглощает видимый свет на длине волны около 400 нм (Рисунок 1).
Кратковременное воздействие NO2 (от 30 минут до 1 дня) приводит к неблагоприятным респираторным эффектам у здоровых людей и усилению респираторных симптомов у людей с астмой. NOx реагирует с аммиаком и другими соединениями с образованием твердых частиц. Эти мелкие частицы могут проникать в легкие и вызывать проблемы с дыханием, включая эмфизему и бронхит. Люди, которые проводят много времени в дороге или живут рядом с проезжей частью, подвергаются значительно более высокому воздействию NO2.
Из-за воздействия, которое он оказывает на здоровье человека и окружающую среду, Агентство по охране окружающей среды США (EPA) классифицировало NO2 в качестве критериального загрязнителя и установило основной стандарт на уровне 100 ppb (98-й процентиль от 1-часовых суточных максимальных концентраций, усредненных за 3 года) и 53 ppb (среднегодовое значение). Учитывая, что на дорожные транспортные средства приходится примерно 1/3 выбросов NOx в США, автомобильные выбросы регулируются Законом о чистом воздухе. Агентство по охране окружающей среды США установило стандарты выбросов, которым должны следовать производители автомобилей при производстве автомобилей. В настоящее время стандарты выбросов Tier 2 устанавливают, что производители должны иметь средний уровень выбросов NOx не более 0,07 г/милю.
Одним из способов, с помощью которого производители соответствуют этому стандарту, является использование каталитических нейтрализаторов на своих автомобилях. Это устройство размещается между двигателем и выхлопной трубой. Поток выхлопных газов проходит через каталитический нейтрализатор и подвергается воздействию катализатора. Восстановительный катализатор из платины и родия используется для снижения концентрации NOx в выхлопных газах. Когда молекула NO или NO2 в выхлопных газах контактирует с катализатором, атом азота захватывается молекулой и удерживается катализатором. Кислород высвобождается и образует O2. Атом азота на катализаторе связывается с другим атомом азота, содержащимся на катализаторе, образуя N2.
Каталитические нейтрализаторы значительно сократили выбросы NOx из выхлопных газов автомобилей – до 80% при правильной работе. Однако они работают только тогда, когда достигли достаточно высокой температуры. Таким образом, при холодном запуске автомобиля каталитический нейтрализатор практически не удаляет NOx. Только когда каталитический нейтрализатор достигает более высоких температур, он эффективно удаляет NOx из потока выхлопных газов. Каталитические нейтрализаторы не работают на дизельных легковых автомобилях из-за условий обеднения, в которых они работают. Кроме того, сера в дизельном топливе также дезактивирует катализатор. NOx в дизельных двигателях снижается в основном с помощью клапана рециркуляции выхлопных газов (EGR), который охлаждает температуру газов сгорания. В результате, дизельные автомобили обычно выделяют больше NOx, чем бензиновые автомобили.
Рисунок 1. Характерная для смога окраска в Калифорнии на берегу бежевых облаков за мостом Золотые Ворота. Коричневая окраска обусловлена содержанием NOx в фотохимическом смоге.
1. Приготовление нитритного (NO2-) стокового раствора
2. Приготовление раствора индикатора NOx
3. Подготовка калибровочных стандартов
4. Создание стандартной кривой
5. Измерение образца выхлопных газов автомобилей
| образец | Абсорбция |
| 0,2 мкг NO2-/мл стандарт | |
| 0,4 мкг NO2-/мл стандарт | |
| 0,6 мкг NO2-/мл стандарт | |
| 0,8 мкг NO2-/мл стандарт | |
| 1,0 μг NO2-/мл стандарт | |
| Выхлоп дизельного автомобиля (при запуске) | |
| Выхлоп дизельного автомобиля (после 10 минут работы) | |
| Выхлоп бензинового автомобиля (при запуске) | |
| Бензиновый выхлоп автомобиля (после пробега 10 минут) |
Таблица 1. Пустая таблица данных для записи значений поглощения.
Смесь оксида азота и диоксида азота обычно обозначается как NOx. Являясь побочным продуктом, содержащимся в выхлопных газах автомобилей, NOx может быть вреден для окружающей среды, образуя разрушительный тропосферный озон.
При высоких температурах в камере сгорания двигателя азот и кислород из воздуха могут вступать в реакцию с образованием оксида азота и диоксида азота. В присутствии солнечного света NOx вступает в реакцию с летучими органическими соединениями в атмосфере с образованием озона и других продуктов. Тропосферный озон представляет опасность для здоровья, потенциально вызывая раздражение легких и глаз, а также является основным компонентом фотохимического смога.
В этом видео будут проиллюстрированы принципы, лежащие в основе производства NOx и тропосферного озона, как изготавливать индикаторные решения, а также как измерять и количественно измерять производство NOx из выхлопных газов автомобилей.
На дорожные автомобили приходится примерно одна треть выбросов NOx в США, и выбросы строго регулируются Законом о чистом воздухе. Каталитические нейтрализаторы, расположенные между двигателем автомобиля и выхлопной трубой, могут значительно снизить концентрацию NOx в выхлопных газах, но для их работы требуются высокие температуры, поэтому они уменьшают NOx только после того, как автомобиль проработает достаточно долго, чтобы прогреть нейтрализатор.
Из-за этой разницы в способности каталитических нейтрализаторов удалять NOx при различных температурах, выбросы NOx обычно считываются при запуске автомобиля и после работы в течение 10 минут. Это дает количественную оценку выбросов NOx, производимых автомобилем, а также указывает на способность каталитического нейтрализатора удалять NOx.
Когда NOx добавляют в раствор, содержащий сульфаниловую кислоту и нафтилэтилендиамин, в результате реакции образуется молекула азокрасителя розового цвета. Интенсивность этого розового цвета прямо пропорциональна концентрацииNOX в растворе и может быть измерена с помощью спектрофотометра UV-VIS для количественной оценки количества NOX при построении графика по сравнению со стандартами на калибровочной кривой.
Теперь, когда мы знакомы с процессом образования NOx, давайте рассмотрим, как производство NOx автомобилями может быть количественно определено в экспериментальных условиях.
Чтобы начать эксперимент, необходимо подготовить детектирующие растворы, которые будут реагировать с NOx. Чтобы приготовить исходный раствор нитрита, сначала взвесьте 1,5 г нитрита натрия и добавьте его в мерную колбу объемом 1 л. Добавьте воду без нитритов до отметки 1 л на колбе. В результате получается исходный раствор с концентрацией 1000 мкг нитрита на мл. Подпишите этот исходный раствор соответствующим образом. Чтобы сделать рабочий раствор из 5 μг нитрита на миллилитр, возьмите свежую колбу и добавьте 1 мл исходного раствора. Разбавьте до 200 мл.
Для приготовления раствора индикатора NOx сначала взвесьте 5 г безводной сульфаниловой кислоты, и добавьте в 1-литровую мерную колбу. В эту же колбу добавьте 500 мл воды без нитритов, затем 140 мл ледяной уксусной кислоты. Взбивайте раствор, пока сульфаниловая кислота не растворится.
Далее отвесьте 20 мг нафтилэтиолимина и добавьте его в колбу. Наконец, наполните колбу до отметки 1-л водой без нитритов. Перелейте раствор в темную бутылку, чтобы предотвратить фоторазложение, плотно забейте крышкой и наклейте соответствующую этикетку.
Чтобы построить стандартную кривую, необходимо создать калибровочные стандарты. Сначала налейте 1 мл стокового раствора нитрита 5,0 мкг в мерную колбу объемом 25 мл и разбавьте раствором индикатора NOx до калибровочной метки. Таким образом, получается стандартный раствор 0,2 мкг NO2-/мл.
Затем приготовьте стандартные растворы NO2-/мл по 0,4, 0,6, 0,8 и 1 мкг, добавив 2, 3, 4 и 5 мл растворов нитритов в отдельные колбы объемом 25 мл, и заполните каждый до метки раствором индикатора NOx.
С помощью УФ-ВИД спектрофотометра установите прибор на считывание поглощения. Далее установите длину волны на 550 нанометров. Добавьте раствор индикатора NOx в чистую ячейку образца спектрофотометра и используйте его для обнуления спектрофотометра. Наконец, измерьте поглощение пяти стандартных растворов и запишите значения.
Чтобы начать считывание показаний, запустите автомобиль с дизельным двигателем. Возьмите газонепроницаемый шприц объемом 60 мл и вставьте его на несколько дюймов в выхлопную трубу, стараясь избежать ожогов или вдыхания паров. Втяните и дважды выдвиньте выхлопные газы, чтобы кондиционировать шприц.
Далее наберите в шприц 25 мл раствора индикатора NOx. Выдавите воздух из шприца, не проливая раствор индикатора. Наконец, наберите 35 мл выхлопных газов в шприц, потянув поршень до отметки 60 мл, затем извлеките и закройте шприц крышкой.
Встряхните раствор в шприце рукой в течение 2 мин. Накройте шприц алюминиевой фольгой. Наконец, измерьте температуру воздуха в выхлопной трубе образца. Повторите процесс отбора проб на автомобиле с бензиновым двигателем и любой другой модели или конструкции автомобиля.
Повторите эксперимент после того, как транспортные средства проработают не менее 10 минут. После того, как все образцы будут собраны, подождите 45 минут, чтобы цвет проявился. Наконец, изгоните газ из шприцев и поместите образцы индикаторных растворов в отдельные кюветы. Измерьте поглощение с помощью спектрофотометра, установленного на 550 нм, и запишите значения.
Используя измерения поглощения стандартных растворов, построить график зависимости поглощения от концентрации нитритов. Определите наиболее подходящую линию данных. Используя эту наиболее подходящую линию, рассчитайте концентрацию нитритов в каждом исследуемом растворе. Затем это значение может быть преобразовано в диоксид азота в выхлопных газах.
Рассчитанная концентрация диоксида азота фактически представляет собой всеNOX в пробе выхлопных газов. Пересчет ppmV, или частей на миллион по объему в μг/л, зависит от температуры и давления, при которых были собраны пробы.
Автомобили — не единственный источникNO-x. Мониторинг его производства важен в широком спектре областей.
Сигаретный дым часто содержит более высокую концентрацию NOx, чем выделяется автомобильными двигателями. Типичныезначения NOX в сигаретном дыме варьируются от 500 до 800 ppm по сравнению с 21-48 ppm для выбросов бензинового автомобиля или около 500 ppm для дизельного автомобиля. Это может привести к различным проблемам со здоровьем, включая бронхит, раздражение носа и горла, респираторные инфекции или блокирование переноса кислорода в кровоток. Уровни NOx в сигаретном дыме также могут быть количественно измерены с помощью методов, показанных в этом видео.
Нитрифицирующие бактерии содержатся в почве и воде и играют важную роль в азотном цикле, окисляя аммиак до нитритов, а затем нитратов. Как и в случае с выхлопными газами и сигаретным дымом, уровни NOx в почве также могут быть исследованы и количественно измерены колориметрически.
Нитраты и нитриты также можно найти в измеримых количествах в пищевых продуктах. Для вяленых продуктов нитраты и нитриты могут добавляться в качестве консерванта, чаще всего в мясо и мясные продукты. Они обладают антимикробным действием, а также действием на фиксацию цвета и сохранение, а также оказывают значительное косвенное благотворное влияние на вкус. Тем не менее, слишком высокое содержание нитритов может привести к медицинским осложнениям, включая метгемоглобинемию у младенцев, или привести к сокращению срока годности продуктов из-за таких эффектов, как ожог нитритами. Поэтому содержание нитритов в вяленых продуктах следует тщательно контролировать, и это можно сделать с помощью модифицированной версии колориметрического теста.
Вы только что посмотрели введение JoVE в определение NOx. Теперь вы должны понять, как образуется NOx в автомобильных двигателях, как сформулировать решения для индикаторов NOx, а также как измерить и количественно определить NOx из выхлопных газов автомобиля.
Спасибо за просмотр!
Смесь оксида азота и диоксида азота обычно называется NOx. Являясь побочным продуктом, содержащимся в выхлопных газах автомобилей, NOx может быть вреден для окружающей среды, образуя разрушительный тропосферный озон.
При высоких температурах в камере сгорания двигателя азот и кислород из воздуха могут вступать в реакцию с образованием оксида азота и диоксида азота. В присутствии солнечного света NOx вступает в реакцию с летучими органическими соединениями в атмосфере с образованием озона и других продуктов. Тропосферный озон представляет опасность для здоровья, потенциально вызывая раздражение легких и глаз, а также является основным компонентом фотохимического смога.
В этом видео будут проиллюстрированы принципы, лежащие в основе производства NOx и тропосферного озона, как изготавливать индикаторные решения, а также как измерять и количественно оценивать выработку NOx из выхлопных газов автомобилей.
На дорожные автомобили приходится примерно треть выбросов NOx в США, и выбросы строго регулируются Законом о чистом воздухе. Каталитические нейтрализаторы, расположенные между двигателем автомобиля и выхлопной трубой, могут значительно снизить концентрацию NOx в выхлопных газах, но для их работы требуются высокие температуры, поэтому они уменьшают NOx только после того, как автомобиль проработает достаточно долго, чтобы прогреть нейтрализатор.
Из-за этой разницы в способности каталитических нейтрализаторов удалять NOx при различных температурах, выбросы NOx обычно считываются при запуске автомобиля и после работы в течение 10 минут. Это дает количественную оценку выбросов NOx, производимых автомобилем, а также указывает на способность каталитического нейтрализатора удалять NOx.
Когда NOx добавляют в раствор, содержащий сульфаниловую кислоту и нафтилэтилендиамин, в результате реакции образуется молекула азокрасителя розового цвета. Интенсивность этого розового цвета прямо пропорциональна концентрации NOx в растворе и может быть измерена с помощью УФ-ВИД спектрофотометра для количественной оценки количества NOx при построении графика относительно стандартов на калибровочной кривой.
Теперь, когда мы знакомы с процессом образования NOx, давайте рассмотрим, как производство NOx автомобилями может быть количественно определено в экспериментальных условиях.
Чтобы начать эксперимент, должны быть приготовлены растворы для обнаружения, которые будут реагировать с NOx. Чтобы приготовить исходный раствор нитрита, сначала взвесьте 1,5 г нитрита натрия и добавьте его в мерную колбу объемом 1 л. Добавьте воду без нитритов до отметки 1 л на колбе. В результате получается исходный раствор с концентрацией 1000 мкг нитрита на мл. Подпишите этот исходный раствор соответствующим образом. Чтобы сделать рабочий раствор из 5 мкг нитрита на миллилитр, возьмите свежую колбу и добавьте 1 мл исходного раствора. Разбавьте до 200 мл.
Чтобы приготовить раствор индикатора NOx, сначала взвесьте 5 г безводной сульфаниловой кислоты, и добавьте в мерную колбу объемом 1 л. В эту же колбу добавьте 500 мл воды без нитритов, затем 140 мл ледяной уксусной кислоты. Взбивайте раствор, пока сульфаниловая кислота не растворится.
Далее отвесьте 20 мг нафтилэтиолимина и добавьте его в колбу. Наконец, наполните колбу до отметки 1-л водой без нитритов. Перелейте раствор в темную бутылку, чтобы предотвратить фоторазложение, плотно забейте крышкой и наклейте соответствующую этикетку.
Чтобы построить стандартную кривую, необходимо создать калибровочные стандарты. Сначала налейте 1 мл стокового раствора нитритов 5,0-г в мерную колбу объемом 25 мл и разбавьте раствором индикатора NOx до калибровочной метки. Таким образом, получается стандартный раствор с концентрацией 0,2 мкг NO2-/мл.
Затем приготовьте стандартные растворы NO2-/мл 0,4, 0,6, 0,8 и 1 мкг, добавив 2, 3, 4 и 5 мл растворов нитритов в отдельные колбы объемом 25 мл, и заполните каждый до метки раствором индикатора NOx.
С помощью УФ-ВИД спектрофотометра установите прибор на считывание поглощения. Далее установите длину волны на 550 нанометров. Добавьте раствор индикатора NOx в чистую ячейку образца спектрофотометра и используйте его для обнуления спектрофотометра. Наконец, измерьте поглощение пяти стандартных растворов и запишите значения.
Чтобы начать считывание показаний, запустите автомобиль с дизельным двигателем. Возьмите газонепроницаемый шприц объемом 60 мл и вставьте его на несколько дюймов в выхлопную трубу, стараясь избежать ожогов или вдыхания паров. Втяните и дважды выдвиньте выхлопные газы, чтобы кондиционировать шприц.
Далее наберите в шприц 25 мл раствора индикатора NOx. Выдавите воздух из шприца, не проливая раствор индикатора. Наконец, наберите 35 мл выхлопных газов в шприц, потянув поршень до отметки 60 мл, затем извлеките и закройте шприц крышкой.
Встряхните раствор в шприце рукой в течение 2 минут. Накройте шприц алюминиевой фольгой. Наконец, измерьте температуру воздуха в выхлопной трубе образца. Повторите процесс отбора проб на автомобиле с бензиновым двигателем и любой другой модели или конструкции автомобиля.
Повторите эксперимент после того, как транспортные средства проработают не менее 10 минут. После того, как все образцы будут собраны, подождите 45 минут, чтобы цвет проявился. Наконец, изгоните газ из шприцев и поместите образцы индикаторных растворов в отдельные кюветы. Измерьте поглощение с помощью спектрофотометра, установленного на 550 нм, и запишите значения.
Используя измерения поглощения стандартных растворов, построить график зависимости поглощения от концентрации нитритов. Определите наиболее подходящую линию данных. Используя эту наиболее подходящую линию, рассчитайте концентрацию нитритов в каждом исследуемом растворе. Затем это значение может быть преобразовано в диоксид азота в выхлопных газах.
Рассчитанная концентрация диоксида азота фактически представляет собой все NOx в пробе выхлопных газов. Пересчет ppmV, или частей на миллион по объему в г/л, зависит от температуры и давления, при которых были собраны пробы.
Автомобили не являются единственным источником NOx. Мониторинг его производства важен в широком спектре областей.
Сигаретный дым часто содержит более высокую концентрацию NOx, чем выделяется автомобильными двигателями. Типичные значения NOx в сигаретном дыме варьируются от 500 до 800 ppm, по сравнению с 21-48 ppm для выбросов от бензинового автомобиля или около 500 ppm для дизельного автомобиля. Это может привести к различным проблемам со здоровьем, включая бронхит, раздражение носа и горла, респираторные инфекции или блокирование переноса кислорода в кровоток. Уровни NOx в сигаретном дыме также могут быть количественно измерены с помощью методов, показанных в этом видео.
Нитрифицирующие бактерии содержатся в почве и воде и играют важную роль в азотном цикле, окисляя аммиак до нитритов, а затем нитратов. Как и в случае с выхлопными газами и сигаретным дымом, уровни NOx в почве также могут быть исследованы и количественно оценены колориметрически.
Нитраты и нитриты также можно найти в измеримых количествах в пищевых продуктах. Для вяленых продуктов нитраты и нитриты могут добавляться в качестве консерванта, чаще всего в мясо и мясные продукты. Они обладают антимикробным действием, а также действием на фиксацию цвета и сохранение, а также оказывают значительное косвенное благотворное влияние на вкус. Тем не менее, слишком высокое содержание нитритов может привести к медицинским осложнениям, включая метгемоглобинемию у младенцев, или привести к сокращению срока годности продуктов из-за таких эффектов, как ожог нитритами. Поэтому содержание нитритов в вяленых продуктах следует тщательно контролировать, и это можно сделать с помощью модифицированной версии колориметрического теста.
Вы только что посмотрели введение JoVE в определение NOx. Теперь вы должны понять, как образуется NOx в автомобильных двигателях, как сформулировать решения для индикаторов NOx, а также как измерить и количественно определить NOx из выхлопных газов автомобилей.
Спасибо за просмотр!
Environmental Science
88.8K Просмотры
Environmental Science
50.9K Просмотры
Environmental Science
14.1K Просмотры
Environmental Science
23.4K Просмотры
Environmental Science
56.3K Просмотры
Environmental Science
92.3K Просмотры
Environmental Science
37.2K Просмотры
Environmental Science
58.3K Просмотры
Environmental Science
40.8K Просмотры
Environmental Science
27.6K Просмотры
Environmental Science
130.2K Просмотры
Environmental Science
30.8K Просмотры
Environmental Science
219.3K Просмотры
Environmental Science
17.4K Просмотры
