Figura 1: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de gases utilizando FID.
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Quando hidrocarbonetos (HC) no gás da amostra são introduzidos na chama de hidrogênio, eles são oxidados e ocorre uma reação de ionização (Equação 1). Como os íons gerados são proporcionais ao número de carbonos, a concentração de hidrocarbonetos no gás é medida pela coleta eletrostática desses íons e sua detecção como uma corrente elétrica.
\[CH \xrightarrow[(O)]{\text{Oxidation}} CHO^+ + e^-\]
Equação 1: Reação de ionização de hidrocarbonetos por chama de hidrogênio
Um analisador de gases que utiliza um detector de ionização de chama (FID) fornece continuamente gás combustível (hidrogênio (H2) ou uma mistura de hidrogênio e hélio (He) ou uma mistura de hidrogênio e nitrogênio (N2)) e gás auxiliar (ar purificado) para produzir uma chama de hidrogênio. O gás da amostra é misturado com o gás combustível e direcionado para uma chama de hidrogênio de alta temperatura (>1500 K) na ponta do bocal, onde as moléculas de hidrocarbonetos são oxidadas e ionizadas. (Equação 1) Esses íons são coletados por um eletrodo coletor e detectados como uma corrente elétrica para medir a concentração de hidrocarbonetos no gás. (Figura 1)
Figura 1: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de gases utilizando FID.
Um analisador de gás usando FID é usado para medir continuamente a concentração de metano (CH4), hidrocarbonetos não metânicos (NMHC) *1 e hidrocarbonetos totais (THC) *2 no gás da amostra.
*1: NMHC: Abreviação de Hidrocarbonetos Não Metânicos, e termo geral para hidrocarbonetos que não sejam metano.
*2: THC: Abreviação de hidrocarbonetos totais
A unidade de concentração de gás em ppmC é geralmente usada em um analisador de gás FID. O ppmC (concentração equivalente de carbono) é a concentração de gás convertida por unidade de carbono, e ppmC é o resultado da multiplicação de ppm pelo número de carbonos.
Por exemplo, se a amostra de gás contiver apenas propano (C3H8) 100 ppm como hidrocarbonetos, o analisador FID mede 100 x 3 = 300 ppmC porque o propano (C3H8) tem três carbonos (C).
HORIBA utiliza um analisador de gases com detector de ionização de chama (FID) para medir simultaneamente e continuamente as concentrações de metano (CH4), hidrocarbonetos não metânicos (NMHC) e hidrocarbonetos totais (THC), que são poluentes presentes no ar ambiente e nos gases de escape. A estrutura e o princípio de funcionamento do analisador são explicados aqui, tomando como exemplo um analisador que mede continuamente esses componentes de hidrocarbonetos no ar ambiente.
Um exemplo da estrutura geral do analisador é mostrado na Figura 2. A chama de hidrogênio do FID ioniza a maioria dos tipos de hidrocarbonetos no gás da amostra. Para medir gases, metano, hidrocarbonetos não metânicos e hidrocarbonetos totais no gás da amostra, o analisador FID da HORIBA incorpora uma unidade de remoção de não metano usando um método de combustão seletiva (cortador NMHC) e um purificador de gás zero.
A sequência de comutação de linhas é A, C, B, C, e assim por diante.
Figura 2: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de gases de hidrocarbonetos totais (THC)
Os hidrocarbonetos possuem diferentes temperaturas de combustão, dependendo do número de carbonos em suas moléculas. Por exemplo, a temperatura de combustão do propano é menor que a do metano. Controlando a temperatura de combustão de acordo com essa característica, todos os hidrocarbonetos não metânicos presentes na amostra de gás são queimados, gerando uma amostra contendo apenas metano. Esse método é chamado de combustão seletiva. Nesse processo, é importante controlar a perda de metano pela combustão na amostra de gás.
O removedor de não metano (cortador de NMHC) no analisador utiliza esse método.
O gás da amostra flui diretamente pela linha A para um detector de hidrocarbonetos com um FID integrado, e os hidrocarbonetos totais são medidos. Em seguida, válvulas solenoides comutam para a linha C, e um gás livre de hidrocarbonetos é injetado no detector de hidrocarbonetos (FID) como gás de comparação de ponto zero para reduzir a deriva do ponto zero (*). O gás de comparação de ponto zero é produzido pela remoção de umidade, hidrocarbonetos, etc., do ar ambiente com um purificador de gás zero.
Em seguida, as válvulas solenoides mudam para a linha B, o gás contendo apenas metano é gerado a partir do gás de amostragem por um filtro NMHC e flui para o detector de hidrocarbonetos (FID), onde o metano é medido. Após a medição do metano, a linha é mudada para a linha C para que o gás de comparação do ponto zero flua para o detector de hidrocarbonetos (FID) a fim de reduzir a deriva do ponto zero (*).
Assim, os gases selecionados são introduzidos no detector de hidrocarbonetos (FID) na ordem das linhas A, C, B e C.
Os hidrocarbonetos não metânicos são calculados a partir da diferença de concentração entre o total de hidrocarbonetos e o metano. (Linhas A, B)
Além disso, esses gases são direcionados para a mesma célula de reação e detectados pelo mesmo detector através da função de comutação da válvula solenoide. Isso significa que as variações na sensibilidade da célula de reação e do detector ao longo do tempo, etc., são igualmente refletidas na detecção desses gases, minimizando, em última análise, a diferença na sensibilidade entre THC e CH4.
*) A deriva do ponto zero é um deslocamento gradual do ponto zero de um analisador em uma direção, devido à temperatura, envelhecimento ou outros fatores. O uso de um gás de comparação para compensar o desvio do ponto zero pode reduzir a influência dessa deriva.
O analisador de gases FID mede metano, hidrocarbonetos totais e hidrocarbonetos não metânicos com base na medição de uma concentração conhecida de propano ou metano ionizado por uma chama de hidrogênio. Por exemplo, se a taxa de ionização do propano for a mesma que a de outros hidrocarbonetos, o FID pode medir com precisão qualquer hidrocarboneto na amostra de gás. No entanto, se a taxa de ionização variar entre os hidrocarbonetos, a medição será afetada. A taxa de ionização varia dependendo da estrutura do hidrocarboneto (por exemplo, ligações duplas ou triplas), da presença ou ausência de oxigênio e de outros fatores.
Assim, a medição do analisador FID é influenciada pelo tipo e concentração de hidrocarbonetos presentes no gás da amostra. O analisador FID requer mecanismos para garantir que as taxas de ionização dos hidrocarbonetos sejam as mais uniformes possíveis.
A medição de hidrocarbonetos é afetada pela concentração de oxigênio. Isso é chamado de interferência do oxigênio.
Por exemplo, o oxigênio no gás da amostra faz com que alguns hidrocarbonetos queimem antes da ionização, o que altera a quantidade de ionização e influencia a medição.
HORIBA otimiza os seguintes itens para reduzir a influência das diferenças nas taxas de ionização de hidrocarbonetos e a interferência do oxigênio.
Um analisador FID é usado principalmente para medir hidrocarbonetos no ar ambiente. Os analisadores FID e NDIR medem hidrocarbonetos em gases de escape de acordo com as normas ambientais nacionais e industriais. NDIR não requer gases auxiliares, como gás combustível, e o FID pode medir múltiplos componentes gasosos (THC, NMHC, CH4) simultaneamente.
O analisador de detecção por ionização de chama de hidrogênio (FID) é utilizado na medição e monitoramento contínuos das emissões de hidrocarbonetos provenientes de veículos e fábricas, que contribuem para a formação de ozônio (O3), um dos principais componentes do smog fotoquímico, e para a formação de material particulado nocivo. Também é utilizado no desenvolvimento de tecnologias para otimizar a eficiência de combustível em veículos e a combustão em motores.
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