קביעת NO_x בפליטת רכב באמצעות ספקטרוסקופיית UV-VIS

בניסוי זה, הריכוז של NO_x בזרם הפליטה של מותגים שונים של מכוניות נמדד פעמיים (על סטארט-אפ ואחרי 10 דקות) כדי ללמוד את היכולת של הממיר הקטליטי של המכונית להסיר NO_x מן הפליטה. הממיר הקטליטי דורש טמפרטורה גבוהה כדי להיות יעיל. לכן, מדידת הפליטה עם ההפעלה של המכונית מייצגת את כמות NO_x במפלט ללא הממיר הקטליטי עובד. מדידת הפליטה לאחר 10 דקות מייצגת את כמות NO_x בפליטה לאחר שהממיר הקטליטי נכנס לתוקף.

ריכוז NO_x נקבע באופן צבעוני על ידי דיאזוטציה של חומצה גופרתית ולאחר מכן להגיב עם N-(1-naphthyl)-אתילנדיאמין ומדידת עוצמת הצבע של מולקולת צבע אזו וכתוצאה מכך באמצעות ספקטרופוטומטר UV-VIS להגדיר ב 550 ננומטר.

בפתרון, לא ו NO₂ לעבור את התגובות הבאות טופס NO₂^-:

2 NO_2(g) + H₂O_(l) → 2H⁺_(aq) + NO₂^-_(aq) + NO₃^-_(aq)

4NO_(ז) + O_2(ז) + 2 H₂O_(l) → 4 NO₂^-_(aq) + 4 H⁺_(aq)

למרות שהיחס הצפוי בין NO₂ ^ל- NO₂- הוא 2:1 בהתבסס על המשוואה הראשונה שנרשמה בעבר, נקבע אמפירית להיות 1.39:1.

כאשר מוסיפים לתמיסה חומצה גופרתית ו-N-1-naphthyl-אתילנדיאמין, מתפתחת מולקולה בצבע ורוד (איור 2).

הריכוז של מולקולה ורודה זו הוא פרופורציונלי ישירות לריכוז של NO_x בתמיסה. הריכוז של מולקולת צבע אזו נמדד באמצעות ספקטרופוטומטר UV-VIS להגדיר ב 550 ננומטר.

ספקטרוסקופיית UV-VIS מבוססת על מדידת הספיגה (A) של פתרונות המוחזקים במיכל שקוף ברוחב b (בס"מ). ריכוז המינים הסופגים פרופורציונלי ישירות לספיגה, כפי שניתן לראות במשוואה הבאה:

A = b c

איפה ספיגת הטוחנת. משוואה זו ידועה בשם חוק הבירה. ספיגת הטוחנת היא מדד לעוצמה של חומר סופג אור אורך גל נתון והוא קבוע עבור חומר נתון.

כדי למדוד את הספיגה של פתרון, קרן אור בעוצמה I_o מכוונת לפתרון בקובט(איור 3). עוצמת הקורה הנכנסת (I_o)והקרן המתעוררת (I) נמדדות, והספיגה מחושבת על-ידי:

איור 2. מולקולה ורודה המתפתחת כאשר חומצה גופרתית ו- N-(1-naphthyl)-אתילנדיאמין מתווספים לפתרון.

איור 3. קרן אור עם Io בעוצמה מכוונת לפתרון בקובט.

1. הכנת ניטריט_{(מס' 2}^-) פתרון מניות

1. שקול 1.500 גרם NaNO₂ ולהוסיף בקבוק נפח 1-L.
2. לדלל לסימן באמצעות מי nanopure. (בדוק את המים המזוקק מהברז – הם עשויים להכיל מספיק ניטריט כדי להפריע למדידות.) זה מייצר 1,000 מיקרוגרם NO₂^-/ mL פתרון מלאי.
3. כדי להפוך פתרון 5.0 מיקרוגרם NO₂^-/mL, לקחת 1 מ"ל של 1,000 מיקרוגרם NO_2-/ mL פתרון לדלל ל 200 מ"ל בבקבוק נפחי.

2. הכנת פתרון מחוון NO_x

1. יש להקפיד על 5.0 גרם חומצה גופרתית נטולת מים ולהוסיף לבקבוק נפחי של 1-L.
2. הוסף 500 מ"ל של מי ננו-דור.
3. מוסיפים 140 מ"ל של חומצה אצטית קרחונית.
4. בעזרת מוט ערבוב, מערבבים את התמיסה עד שהארכובה הגופרתית מתמוססת. זה לוקח בערך 30 דקות.
5. יש להכביד על 0.020 גרם של N-(1-naphthyl)-אתילנדיאמין דיהידרוכלוריד ולהוסיף לבקבוק הנפחי.
6. לדלל לסימן באמצעות מי nanopure.
7. מעבירים לבקבוק כהה (למניעת פוטודקשן) ומעצור בחוזקה (כדי למנוע תגובה עם אוויר).

3. הכנת תקני כיול

1. שים 1.0 מ"ל של פתרון 5.0 מיקרוגרם NO₂^-/mL בבקבוק נפחי 25 מ"ל לדלל עם פתרון מחוון NO_x לסימן. פעולה זו עושה פתרון סטנדרטי 0.2 מיקרוגרם NO₂^-/ mL.
2. שים 2.0 מ"ל של פתרון 5.0 מיקרוגרם NO₂^-/mL בבקבוק נפחי 25 מ"ל לדלל עם פתרון מחוון NO_x לסימן. פעולה זו עושה פתרון סטנדרטי 0.4 מיקרוגרם NO₂^-/mL.
3. שים 3.0 מ"ל של פתרון NO₂^-/mL בגודל 5.0 מיקרוגרם בבקבוק נפחי של 25 מ"ל ודלל עם פתרון מחוון NO_x לסימן. פעולה זו עושה פתרון סטנדרטי 0.6 מיקרוגרם NO₂^-/mL.
4. שים 4.0 מ"ל של פתרון 5.0 מיקרוגרם NO₂^-/mL בבקבוק נפחי 25 מ"ל לדלל עם פתרון מחוון NO_x לסימן. פעולה זו עושה פתרון סטנדרטי 0.8 מיקרוגרם NO₂^-/ mL.
5. שים 5.0 מ"ל של פתרון NO₂^-/mL בגודל 5.0 מיקרוגרם בבקבוק נפחי של 25 מ"ל ודלל עם פתרון מחוון NO_x לסימן. פעולה זו הופכת פתרון סטנדרטי NO₂^-/mL בגודל 1.0 מיקרוגרם.

4. יצירת העקומה הסטנדרטית

1. באמצעות ספקטרופוטומטר UV-VIS, הגדר את המכשיר לקריאת Absorbance.
2. הגדר את אורך הגל ל 550 ננומטר על הספקטרופוטומטר.
3. באמצעות פתרון מחוון NO_x, אפס ספקטרופוטומטר.
4. מדוד את הספיגה של 5 הפתרונות הסטנדרטיים. ערכי רשומה בטבלת הנתונים (טבלה 1).

5. מדידת דגימת פליטת רכב

1. התניעו את המכונית המונעת בדיזל.
2. בעזרת מזרק 60 מ"ל בגז הדוק, הכנס אותו כמה סנטימטרים לתוך המפלט. הימנעו מכוויות ואל תנשמו אדים. לצייר ולגרש את הפליטה פעמיים כדי להתנות את המזרק.
3. צייר 25 מ"ל מפתרון מחוון NO_x למזרק. לגרש כל אוויר מהמזרק מבלי לשפוך את פתרון המחוון.
4. צייר 35 מ"ל של פליטה לתוך המזרק, מושך את הבוכנה אל סימן 60 מ"ל.
5. תכובע את המזרק. לנער את הפתרון במזרק במשך 2 דקות. מכסים את המזרק בנייר אלומיניום.
6. למדוד את טמפרטורת האוויר בצינור המפלט בעת איסוף הדגימות.
7. חזור על שלבים 5.1 – 5.6 באמצעות מכונית מונעת בבנזין. צעדים אלה יכולים לחזור על עצמם פעמים רבות ככל הרצוי, באמצעות דגמים שונים של מכוניות.
8. חזור על שלבים 5.1 – 5.6 לאחר שהמכוניות פועלות לפחות 10 דקות.
9. המתן 45 דקות כדי לאפשר לצבע להתפתח, לפני מדידת ספיגת הפתרון.
10. לאחר 45 דקות הם למעלה, לגרש את הגז מן המזרק, לשים את הפתרון לתוך cuvette, ולמדוד את הספיגה באמצעות ספקטרופוטומטר להגדיר על 550 ננומטר. ערכי רשומה בטבלת הנתונים (טבלה 1).

טבלה 1. טבלת נתונים ריקה כדי לרשום ערכי ספיגה.

טבלה 2 מספקת דוגמה לתוצאות מתאימות. באמצעות מדידות הספיגה של הפתרונות הסטנדרטיים, ניתן לבצע חלקה של ספיגה לעומת ריכוז של NO₂^- איור4). לאחר מכן, ניתן לקבוע את קו ההתאמה הטוב ביותר של הנתונים. באמצעות הקו המתאים ביותר של העקומה הסטנדרטית, ניתן לחשב את הריכוז של NO₂^- בכל פתרון לא ידוע (מיקרוגרם/ מ"ל). ניתן להמיר ערך זה לריכוז של NO₂ במדגם גז הפליטה באמצעות המשוואה הבאה:

בהתבסס על המשוואה המאוזנת של NO₂ ב H₂O נראה בעבר, 2 מול NO₂/1 מול NO₂^- יחס צפוי. בניסויים אמפיריים, זה נמצא קרוב יותר יחס 1.39:1. נפח הפתרון בו נעשה שימוש היה 25 מ"ל. נפח דגימת הגז היה 35 מ"ל.

הריכוז של NO₂ המחושב מייצג למעשה את כל NO_X במדגם הפליטה (טבלה 3). המשוואה להמרה בין ppmV ל- μg/L תלויה בטמפרטורה ובלחץ שבהם נאספו הדגימות. משוואת ההמרה היא:

איפה R = קבוע גז אוניברסלי = 0.08206 atm· L/מול· K, P = לחץ אטמוספרי ב- at atm, T = טמפרטורה ב- K, ו- MW = משקל מולקולרי של NO_x (כ- NO₂) = 46.01 גרם / מול. לכן

חשוב להכניס את T ב-K ו-P ל-P ב-Atm.

טבלה 2. טבלת נתונים עם תוצאות מייצגות של ספיגה.

איור 4. חלקת עקומה סטנדרטית של ספיגה לעומת ריכוז של NO₂^-.

טבלה 3. אין ריכוז_x (ppm) לרכב.

המדידה של ניטריט באמצעות תגובת סולצמן שונה היא נפוצה מאוד ושימושית בתחומים רבים ושונים. כפי שתואר, השיטה יכולה לשמש למדידת ריכוזי NO_x בדגימות אוויר – פליטת רכב, חדרי מעבדה, איכות אוויר של ערים וכו '. בנוסף, שיטה זו יכולה לשמש לניטור NO_x בעשן סיגריות. ההליך יהיה דומה מאוד לניסוי זה, אלא שבמקום למשוך פליטת רכב למזרק, עשן הסיגריות יימשך פנימה. לעתים קרובות יש ריכוז גבוה יותר של NO_x בעשן סיגריות מאשר יוצא מצינור המפלט של מכוניות, אשר נוטה להיות מפתיע רבים. ערכים אופייניים עבור NO_x בעשן סיגריות נעים בין 500-800 ppm.

שיטה זו יכולה לשמש גם כדי לבדוק את רמות החנקן המיוצר בנוכחות חיידקי חנקת. חיידקי חנקות נמצאים בקרקע ובמים וממלאים תפקיד חשוב במחזור החנקן – חמצון אמוניה לניטריט ולאחר מכן חנקות. החנקות במדגם מומרות לראשונה לחנקן על ידי האנזים חנקתי רדוקטאז. ואז הניטריט נמדד באמצעות התגובה של זלצמן שהשתנתה. לבסוף, שיטה זו יכולה לשמש כדי לקבוע את הריכוז של חנקות וניטריטים במוצרי מזון. ניטריטים וחנקות מתווספים למזון בעיקר כדי לשמר בשר ומוצרי בשר. ערך אופייני עבור ניטריט בבשר נרפא הוא כ 125 מיקרוגרם / מ"ל.