Газовый анализ

Газовый анализ - качественное обнаружение и количественное определение компонентов газовых смесей. Проводится как с помощью автоматич. газоанализаторов, так и по лабораторным методикам. Как правило, методы газового анализа основаны на измерении физических параметров среды, значения которых зависят от концентраций определяемых компонентов. В избирательных методах измеряемое свойство зависит преимущественно от содержания определяемого компонента. Неизбирательные методы основаны на измерении интегральных свойств пробы (напр. плотности, теплопроводности), которые зависят от относит. содержания всех ее компонентов. Последние методы применяют для анализа бинарных и псевдобинарных газовых смесей, в которых варьируется содержание только определяемого компонента, а соотношение концентраций остальных компонентов не изменяется.

Выбор методов газового анализа, обеспечивающих избирательное определение интересующего компонента непосредственно по измерению физических параметров анализируемого газа, весьма ограничен. В большинстве случаев избирательность достигается предварительной обработкой пробы, напр. фракционированием, концентрированием, конверсией; в частности, применяют мембранные методы, которые служат для выделения определяемой примеси из анализируемого газа, удаления макрокомпонентов при концентрировании, разбавления пробы газом-носителем в заданное число раз.

Основные методы.
По характеру измеряемого физического параметра методы газового анализа можно разделить на механические, акустические, тепловые, магнитные, оптические, ионизационные, масс-спектрометрические, электрохимические, полупроводниковые.

К механическим методам относят пневматические, среди которых различают аэростатический и аэродинамический. В первом измеряют плотность газовой смеси, во втором - зависящие от плотности и вязкости параметры таких процессов, как дросселирование газовых потоков, взаимод. струй, вихреобразование и т.д. Эти методы применяют для анализа бинарных и псевдобинарных смесей, напр. для определения Н₂ в воздухе, Н₂ в этилене, СО₂ в инертных газах, С1₂ в Н₂ и т.д. Минимальные определяемые концентрации (МОК) от 10^-2 до 10 ^-1 мол. %.

Тепловые методы основаны на измерении теплопроводности газовой смеси (термокондуктометрический метод) или теплового эффекта р-ции с участием определяемого компонента - (термохим. метод). Термокондуктометрич. методом находят содержание, напр., Не, СО₂, Н₂, СН₄ С1₂ в бинарных и псевдобинарных смесях (МОК от 10^-2 до 10^-1 мол. %). Термохим. метод используют для избирательного определения СО, СН₄, О₂, Н₂, контроля в воздухе взрывоопасных и пожароопасных примесей (смесей газообразных углеводородов, паров бензина и т.д.). 

В магнитных методах измеряют физические характеристики газа, обусловленные магнитными свойствами определяемого компонента в магн. поле. С их помощью контролируют содержание О₂, отличающегося аномально большой парамагнитной восприимчивостью. Наиболее распространен термомагнитный метод, основанный на зависимости парамагн. восприимчивости О₂ от его концентрации при действии магн. поля в условиях температурного градиента.

В оптических методах измеряют оптическую плотность (абсорбц. методы), интенсивность излучения (эмиссионные методы), коэффициент преломления (рефрактометрический) и некоторыерые другие оптические свойства.

Абсорбционыые методы, основанные на измерении селективного поглощения ИК-, УФ- или видимого излучения контролируемым компонентом, применяют, напр., для избирательного определения NO₂, карбонилов некоторых металлов, О₃, H₂S, SO₂, CS₂, формальдегида, фосгена, С1₂, СС1₄, а также паров Hg, Na, Pb и др. элементов. МОК от 10^-5 до 10^-2 мол. %. Широко используется оптико-акустический метод, основанный на пульсации давления газа в лучеприемнике при поглощении прерывистого потока излучения, прошедшего через анализируемый газ.

В эмиссионных оптических методах измеряют интенсивность излучения определяемых компонентов. Излучение можно возбудить электрическим разрядом, пламенем, светом от др. источников (при использовании лазера МОК достигает 10^-7-10^-6 мол. %). Эти методы применяют для количественного определения многих элементов и соединений.

В хемилюминесцентном методе измеряют интенсивность люминесценции, сопровождающей некоторые химические реакции в газах. Метод применяют, в частности, для определения О₃ и оксидов азота. Например, определение NO основано на его окислении озоном.

Рефрактометрический метод используется для определения СО₂, СН₄, ацетилена, SO₂ и др. в бинарных и псевдобинарных смесях. Интерферометрический оптический метод основан на измерении смещения интерференционных полос в результате изменения оптич. плотности газовой смеси при изменении концентрации определяемого компонента. Применяется, напр., для определения СО₂ и СН₄ в воздухе.

Ионизационные методы основаны на измерении электрической проводимости ионизованных газовых смесей. Ионизацию осуществляют радиоактивным излучением, электрическим разрядом, пламенем, УФ-излучением, на нагретой каталитически активной поверхности. Напр., метод, основанный на измерении разницы сечений (вероятностей) ионизации газов радиоактивным излучением, используют для анализа таких бинарных смесей, как Н₂—N₂, N₂—CO₂, а также некоторых углеводородов.

Масс-спектрометрический метод, основанный на измерении масс ионизованных компонентов анализируемого газа, применяют для определения инертных газов, О₂, Н₂, оксидов углерода, азота и серы, а также неорганических, органических и металлоорг. летучих соединений.

В электрохимических методах измеряют параметры системы, состоящей из жидкого или твердого электролита, электродов и определяемого компонента газовой смеси или продуктов его реакции с электролитом. Так, потенциометрический метод основан на зависимости потенциала индикаторного электрода от концентрации иона, полученного при растворении определяемого компонента в р-ре; амлерометрический - на зависимости между током и количеством определяемого компонента, прореагировавшего на индикаторном электроде; кондуктометрический - на измерении электропроводности р-ров при поглощении ими определяемого компонента газовой смеси. Электрохимическими методами измеряют содержание примесей SO₂, O₂, H₂S, C1₂, NH₃, O₃, NO₂ и др.

В полупроводниковых методах газового анализа измеряют сопротивление полупроводника (пленки или монокристалла), взаимодействующего с определяемым компонентом газовой смеси. Взаимод. может состоять, напр., в хемосорбции газов пов-стью. Методы применяют для измерения содержания Н₂, метана, пропана, О₂, оксидов углерода и азота, галогенсодержащих соединений и др. МОК от 10^-5 до 10^-3 мол. %.

В хроматографических методах газового анализа разделение анализируемой смеси происходит при ее движении вдоль слоя сорбента. Наиболее часто применяют проявительный вариант, в котором исследуемый газ переносится через слой сорбента потоком газа-носителя, сорбирующегося хуже любого из компонентов анализируемой газовой смеси. Для измерения концентрации разделенных компонентов в газе-носителей применяют различные детекторы хроматографические. Хроматографические методы обеспечивают анализ широкого круга органических и неорганических компонентов.

В методе изотопного разбавления в анализируемую пробу вводят радиоактивные или, чаще, стабильные изотопы определяемого компонента и затем выделяют его из пробы вместе с добавкой. В случае радиоактивного изотопа концентрацию компонента рассчитывают по уд. радиоактивности выделенного компонента, в случае стабильных изотопов - по результатам масс-спектрометрич. или спектрального анализа его изотопного состава. Применяется также метод, основанный на р-ции между определяемым компонентом и радиоактивным реагентом. Образовавшееся соед. выделяют, измеряют его уд. активность, по значению к-рой находят концентрацию определяемого компонента. Методами изотопного разбавления измеряют содержание примесей О₂, N₂, H₂, оксидов углерода и азота, СН₄, С1₂ и др.

Многопараметрич. вычислительный метод газового анализа основан на совместном измерении ряда физ. параметров смеси известного качеств. состава и на решении с помощью ЭВМ системы ур-ний, описывающих взаимосвязь измеряемых параметров с концентрациями определяемых компонентов. Одновременно можно измерять, напр., оптич. плотность среды при разл. длинах волн, эффективность ионизации газов и паров на каталитически активных пов-стях с разными т-рами нагрева и т.д.