Phương pháp phát hiện ion hóa ngọn lửa hydro (FID)

Nội dung

• Phương pháp phát hiện ion hóa ngọn lửa hydro (FID) là gì?
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phân tích khí sử dụng FID
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phân tích khí tổng hydrocarbon (THC)
• Giảm các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo
• So sánh với Phương pháp hấp thụ hồng ngoại không phân tán (NDIR)
• Sản phẩm liên quan

Khi hydrocarbon (HC) trong mẫu khí được đưa vào ngọn lửa hydro, hydrocarbon bị oxy hóa và phản ứng ion hóa xảy ra. (Phương trình 1) Vì các ion được tạo ra tỷ lệ thuận với số lượng carbon nên nồng độ hydrocarbon trong khí được đo bằng cách thu thập các ion này theo phương pháp tĩnh điện và phát hiện chúng dưới dạng dòng điện.

\[CH \xrightarrow[(O)]{\text{Oxidation}} CHO^+ + e^-\]

Phương trình 1: Phản ứng ion hóa hydrocarbon bằng ngọn lửa hydro

Máy phân tích khí sử dụng FID liên tục cung cấp khí nhiên liệu (hydro (H12/1) ₂) or a mixed gas of hydrogen and helium (He) or a mixed gas of hydrogen and nitrogen (N₂Máy phân tích khí sử dụng FID liên tục cung cấp khí nhiên liệu (hydro (H12/1) hoặc khí hỗn hợp hydro và heli (He) hoặc khí hỗn hợp hydro và nitơ (N22/2) và khí phụ trợ (không khí tinh khiết) để tạo ra ngọn lửa hydro. Mẫu khí được trộn với khí nhiên liệu và chảy vào ngọn lửa hydro nhiệt độ cao (>1500 K) ở đầu vòi phun, và các phân tử hydrocarbon trong mẫu khí bị oxy hóa và ion hóa. (Phương trình 1) Các ion này được thu thập bởi một điện cực thu và được phát hiện dưới dạng dòng điện để đo nồng độ khí của hydrocarbon. (Hình 1)

Hình 1: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phân tích khí sử dụng FID.

Máy phân tích khí sử dụng FID được sử dụng để đo liên tục nồng độ mêtan (CH₄), hydrocacbon không mêtan (NMHC) ^*1 và tổng hydrocacbon (THC) ^*2 trong khí mẫu.

*1: NMHC: Viết tắt của Hydrocarbon không phải mêtan và là thuật ngữ chung cho các hydrocacbon khác ngoài mêtan.
*2: THC: Viết tắt của tổng lượng hydrocarbon

ppmC của một đơn vị nồng độ khí thường được sử dụng trong máy phân tích khí FID. ppmC (nồng độ carbon tương đương) là nồng độ khí được chuyển đổi theo một carbon, và ppmC là ppm nhân với số lượng carbon.

Ví dụ, nếu khí mẫu chỉ chứa propan (C₃H₈) 100 ppm dưới dạng hydrocacbon, máy phân tích FID đo 100 x 3 = 300 ppmC vì propan (C₃H₈) có ba cacbon (C).

HORIBA sử dụng máy phân tích khí sử dụng FID để đo đồng thời và liên tục nồng độ mêtan (CH₄), hydrocacbon không mêtan (NMHC) và tổng hydrocacbon (THC), là những chất ô nhiễm trong không khí xung quanh và khí thải. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phân tích được giải thích ở đây, lấy ví dụ về máy phân tích đo liên tục các thành phần hydrocacbon này trong không khí xung quanh.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phân tích khí

Một ví dụ về cấu trúc tổng thể của máy phân tích được thể hiện trong Hình 2. Ngọn lửa hydro của FID ion hóa hầu hết các loại hydrocarbon trong mẫu khí. Để đo khí, mêtan, hydrocarbon không phải mêtan và tổng hydrocarbon trong mẫu khí, máy phân tích FID của HORIBA kết hợp một bộ phận loại bỏ khí không phải mêtan bằng phương pháp đốt chọn lọc (máy cắt NMHC) và bộ lọc khí zero.

Trình tự chuyển mạch dòng là A, C, B, C, v.v.

Hình 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phân tích khí tổng hydrocarbon (THC)

Bộ phận loại bỏ khí không có mêtan bằng quá trình đốt cháy chọn lọc (máy cắt NMHC)

Hydrocarbon có nhiệt độ cháy khác nhau tùy thuộc vào số lượng carbon trong phân tử của chúng. Ví dụ, nhiệt độ cháy của propan thấp hơn methane. Bằng cách kiểm soát nhiệt độ cháy theo đặc điểm này, tất cả các hydrocarbon không phải methane trong mẫu khí được đốt cháy để tạo ra một mẫu khí chứa methane duy nhất cho hydrocarbon. Phương pháp này được gọi là phương pháp đốt cháy chọn lọc. Trong quá trình này, điều quan trọng là kiểm soát sự hao hụt của methane trong mẫu khí.

Bộ phận loại bỏ khí không phải metan (máy cắt NMHC) trong máy phân tích sử dụng phương pháp này.

Nguyên lý hoạt động của máy phân tích (Hình 2)

Mẫu khí chảy trực tiếp qua đường ống A vào detector hydrocarbon có FID tích hợp, và tổng hydrocarbon được đo. Tiếp theo, van điện từ chuyển sang đường ống C, và khí không chứa hydrocarbon được đưa vào máy dò hydrocarbon (FID) dưới dạng khí so sánh điểm 0 để giảm độ trôi điểm 0 (*). Khí so sánh điểm 0 được tạo ra bằng cách loại bỏ độ ẩm, hydrocarbon, v.v. khỏi không khí xung quanh bằng máy lọc khí zero.

Sau đó, van điện từ chuyển sang đường B, khí chỉ có mêtan được tạo ra từ khí lấy mẫu bằng máy cắt NMHC chảy vào detector hydrocarbon (FID) và mêtan được đo. Sau khi đo mêtan, chuyển sang đường C để chảy khí so sánh điểm không vào detector hydrocarbon (FID) để giảm độ trôi điểm 0 (*).
Vì vậy, các loại khí được chọn sẽ được đưa vào detector hydrocarbon (FID) theo thứ tự đường A, C, B và C.

Hydrocacbon không phải metan được tính toán từ sự chênh lệch nồng độ giữa tổng hydrocarbon và metan. (Dòng A, B)

Ngoài ra, các khí này được chảy vào cùng một cell phản ứng và được phát hiện bởi cùng một detector bằng chức năng chuyển đổi van điện từ. Điều này có nghĩa là sự thay đổi độ nhạy của cell phản ứng và detector theo thời gian, v.v. đều được phản ánh như nhau trong việc phát hiện các khí này, cuối cùng giảm thiểu sự khác biệt về độ nhạy THC và CH₄.

*) Độ trôi điểm 0 là sự dịch chuyển dần dần điểm 0 của máy phân tích theo một hướng do nhiệt độ, lão hóa hoặc các yếu tố khác. Việc sử dụng khí so sánh để làm lệch điểm 0 có thể làm giảm ảnh hưởng của độ trôi điểm 0.

Ảnh hưởng của các tỷ lệ ion hóa khác nhau của hydrocarbon

Máy phân tích khí FID đo mêtan, tổng hydrocacbon và hydrocacbon không phải mêtan dựa trên phép đo nồng độ propan hoặc mêtan đã biết bị ion hóa bằng ngọn lửa hydro. Ví dụ, nếu tốc độ ion hóa của propan giống nhau đối với các hydrocacbon khác, FID có thể đo chính xác bất kỳ hydrocacbon nào trong mẫu khí, nhưng nếu tốc độ ion hóa khác nhau giữa các hydrocacbon, phép đo sẽ bị ảnh hưởng. Tốc độ ion hóa thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc của hydrocacbon (ví dụ, liên kết đôi hoặc liên kết ba), sự có hoặc không có oxy và các yếu tố khác.

Do đó, phép đo của máy phân tích FID bị ảnh hưởng bởi loại và nồng độ hydrocarbon có trong mẫu khí. Máy phân tích FID yêu cầu các cơ chế để đảm bảo rằng tốc độ ion hóa của hydrocarbon giống nhau càng nhiều càng tốt.

Ảnh hưởng của oxy đến quá trình đốt cháy hydrocarbon

Tùy thuộc vào nồng độ oxy, phép đo hydrocarbon bị ảnh hưởng. Điều này được gọi là nhiễu oxy.
Ví dụ, oxy trong mẫu khí khiến một số hydrocarbon bị đốt cháy trước khi các hydrocarbon này bị ion hóa, làm thay đổi lượng ion hóa và ảnh hưởng đến phép đo.

Phương pháp giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo.

HORIBA tối ưu hóa các mục sau đây để giảm ảnh hưởng của sự khác biệt về tốc độ ion hóa hydrocarbon và sự can thiệp của oxy.

• Lưu lượng dòng và tốc độ trộn của khí mẫu, khí nhiên liệu và khí phụ trợ cung cấp cho FID
• Vật liệu FID, cấu trúc và hình dạng vòi phun
• Loại khí dùng để hiệu chuẩn máy phân tích (metan, propan, v.v.)

Máy phân tích FID chủ yếu được sử dụng để đo hydrocacbon trong không khí xung quanh. Máy phân tích FID và NDIR đo hydrocacbon trong khí thải theo các quy định về môi trường quốc gia và công nghiệp. NDIR không yêu cầu khí tiện ích như khí nhiên liệu và FID có thể đo đồng thời nhiều thành phần khí (THC, NMHC, CH₄).