Određivanje prisutstva eksplozivnih gasova i para u prostorima sa potencijalno eksplozivnom atmosferom pomoću prenosivog gasnog hromatografa marke PhotoVac Voyager Autor: Aleksandar Dvornić Apstrakt Određivanje prisutstva eksplozivnih gasova i para u prostorima ugroženim eksplozivnom atmosferom predstavlja bitan faktor u pravilnoj klasifikaciji zona opasnosti od eksplozije. Granice eksplozivnosti smeša različitih gasova sa vazduhom mogu se dobiti računskim i eksperimentalnim putem. Prilikom određivanja granica eksplozivnosti potrebno je izvršiti kvalitativnu analizu sastava smeše kao i kvantitativno određivanje koncentracija svakog pojedinačnog jedinjenja u smeši. Kvalitativna i kvantitativna analiza sastava smeše može se izvršiti pomoću mobilnog gasnog hromatografa marke PhotoVac „Voyager“ koji na principu gasne hromatografije sa PID i ECD detektorima vrlo precizno određuje koncentracije isparljivih organskih jedinjenja koja se u smeši mogu nalaziti i u tragovima. Mobilni gasni hromatograf marke „Voyager“ je jedini gasni hromatograf na tržištu koji poseduje mogućnost rada u EX atmosferama. 1.0 Uvod Granica eksplozivnosti pojedinačnih gasova i para u smeši sa vazduhom određene su eksperimentalno i predstavljaju opšte poznate podatke koji su sistematizovani u novom SRPS EN 60079-20-1 standardu. Računske metode za određivanje granica eksplozivnosti smeša u kojima se nalazi više različitih gasova takođe daju relativno pouzdane podatke uz preduslov da su poznati sastav i koncentracije pojedinačnih gasova i para. U analizi i određivanju zona opasnosti u takvim situacijama od velike pomoći mogu biti podaci dobijeni analizom potencijalno ugrožene atmosfere koji sadrže analizu sastava atmosfere i količine zapaljivih gasova i para u njoj. U ovom radu je dat prikaz korišćenja prenosnog gasnog hromatografa kojim je moguće odgovoriti na ovaj zadatak. Značaj bezbednosti i procene rizika, planiranje mera u akcidentnim situacijama kao i zahtevi vladinih agencija pokreću unapređenje tehnika za detekciju i predviđanje stvaranja eksplozivnih atmosfera u radnom okruženju. Pod eksplozivnom atmosferom podrazumeva se smeša zapaljivih materija sa vazduhom u obliku gasa, pare ili magle, u atmosferskim uslovima, u kojoj se nakon paljenja požar širi po čitavoj nepotrošenoj masi. Određivanje prisutstva eksplozivnih gasova i para u prostorima ugroženim eksplozivnom atmosferom predstavlja bitan faktor u pravilnoj klasifikaciji zona opasnosti od eksplozije.[1] Mobilni uređaji za kvalitativna i kvantitativna ispitivanja pružaju nove mogućnosti u preciznoj i pravovremenoj detekciji eksplozivnih gasova. Pomoću ovih uređaja moguće je izvršiti uzorkovanje i analizu eksplozivne atmosfere u različitim situacijama. Na osnovu trenutnih rezultata u toku monitoringa korišćenjem VOC moda vrlo brzo se može doći do podataka o ukupnim isparljivim organskim jedinjenjima, a daljom analizom na kolonama za separaciju može se detektovati i kvantifikovati svaka pojedinačna komponenta u smeši. Fruška ora ZBORNIK RADOVA 7. Me unarodna "Ex" Tribina 21-23. septembar 2011. INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD 235 INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD
12
Embed
Uvod - Institut za preventivu tribina Radovi/Ex_Tribina_7/025 Aleksandar Dvornic Odredivanje...Računske metode za određivanje granica eksplozivnosti smeša u ... uzorkovanje i analizu
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Određivanje prisutstva eksplozivnih gasova i para u prostorima sa potencijalno eksplozivnom atmosferom pomoću prenosivog gasnog hromatografa marke PhotoVac Voyager Autor: Aleksandar Dvornić Apstrakt Određivanje prisutstva eksplozivnih gasova i para u prostorima ugroženim eksplozivnom atmosferom predstavlja bitan faktor u pravilnoj klasifikaciji zona opasnosti od eksplozije. Granice eksplozivnosti smeša različitih gasova sa vazduhom mogu se dobiti računskim i eksperimentalnim putem. Prilikom određivanja granica eksplozivnosti potrebno je izvršiti kvalitativnu analizu sastava smeše kao i kvantitativno određivanje koncentracija svakog pojedinačnog jedinjenja u smeši. Kvalitativna i kvantitativna analiza sastava smeše može se izvršiti pomoću mobilnog gasnog hromatografa marke PhotoVac „Voyager“ koji na principu gasne hromatografije sa PID i ECD detektorima vrlo precizno određuje koncentracije isparljivih organskih jedinjenja koja se u smeši mogu nalaziti i u tragovima. Mobilni gasni hromatograf marke „Voyager“ je jedini gasni hromatograf na tržištu koji poseduje mogućnost rada u EX atmosferama.
1.0 Uvod Granica eksplozivnosti pojedinačnih gasova i para u smeši sa vazduhom određene su eksperimentalno i predstavljaju opšte poznate podatke koji su sistematizovani u novom SRPS EN 60079-20-1 standardu. Računske metode za određivanje granica eksplozivnosti smeša u kojima se nalazi više različitih gasova takođe daju relativno pouzdane podatke uz preduslov da su poznati sastav i koncentracije pojedinačnih gasova i para. U analizi i određivanju zona opasnosti u takvim situacijama od velike pomoći mogu biti podaci dobijeni analizom potencijalno ugrožene atmosfere koji sadrže analizu sastava atmosfere i količine zapaljivih gasova i para u njoj. U ovom radu je dat prikaz korišćenja prenosnog gasnog hromatografa kojim je moguće odgovoriti na ovaj zadatak. Značaj bezbednosti i procene rizika, planiranje mera u akcidentnim situacijama kao i zahtevi vladinih agencija pokreću unapređenje tehnika za detekciju i predviđanje stvaranja eksplozivnih atmosfera u radnom okruženju. Pod eksplozivnom atmosferom podrazumeva se smeša zapaljivih materija sa vazduhom u obliku gasa, pare ili magle, u atmosferskim uslovima, u kojoj se nakon paljenja požar širi po čitavoj nepotrošenoj masi. Određivanje prisutstva eksplozivnih gasova i para u prostorima ugroženim eksplozivnom atmosferom predstavlja bitan faktor u pravilnoj klasifikaciji zona opasnosti od eksplozije.[1] Mobilni uređaji za kvalitativna i kvantitativna ispitivanja pružaju nove mogućnosti u preciznoj i pravovremenoj detekciji eksplozivnih gasova. Pomoću ovih uređaja moguće je izvršiti uzorkovanje i analizu eksplozivne atmosfere u različitim situacijama. Na osnovu trenutnih rezultata u toku monitoringa korišćenjem VOC moda vrlo brzo se može doći do podataka o ukupnim isparljivim organskim jedinjenjima, a daljom analizom na kolonama za separaciju može se detektovati i kvantifikovati svaka pojedinačna komponenta u smeši.
Fruška £ ora ZBORNIK RADOVA 7. Me unarodna "Ex" Tribina 21-23. septembar 2011.
INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD 235INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD
2.0 Metode za određivanje prisutstva eksplozivnih gasova i para Kvalitativno i kvantitativno određivanje prisutstva i koncentracija eksplozivnih gasova može se vršiti pomoću mobilnog gasnog hromatografa „Voyager“ firme PhotoVac (Slika 1), sa PID i ECD detektorom. Pomoću ovog uređaja na vrlo precizan način mogu se odrediti koncentracije eksplozivnih gasova i pri koncentracijama od samo 1 ppm.
Slika 1. PhotoVac „Voyager” prenosivi gasni hromatograf [3]
3.0 Princip rada prenosivog gasnog hromatografa „Voyager“ „Voyager“ radi na principu gasne hromatografije sa fotojonizujućim detektorom (PID – photoionization detector) i detektorom za zahvat elektrona (ECD – electron capture detector). Gasna hromatografija (GC) je hromatografska metoda razdvajanja i detekcije organskih jedinjenja. Kod ove instrumentalne metode mobilna faza je i ujedno noseći gas, obično inertan (najčešće argon ili helijum) ili gas koji ne reaguje sa ispitivanim uzorkom (najčešće azot) a stacionarna faza je lepeza izbora od molekulskog sita pa do kapilarnih kolona presvučenih viskoznom tečnošću ili mikroskopskim slojevima polimera. Uzorak gasa koji se uzorkuje pomoću ugrađene pumpe u samom Voyager uređaju se putem nosećeg gasa (azot) propušta kroz kolonu koja razdvaja uzorak na komponente u zavisnosti od njihovih fizičkih i hemijskih osobina i njihovih mogućih uzajamnih odnosa sa stacionarnom fazom, punjenjem kolone. „Voyager“ poseduje tri kolone za separaciju: za teško isparljiva, srednje isparljiva i lako isparljiva organska jedinjenja. Kako jedinjenja napuštaju kolonu, detektuju se pomoću fotojonizacionog detektora i detektorom za zahvat elektrona (ako je omogućen). Rezultat se dobija u obliku trouglastih odziva, „pikova“ (eng. peak - vrh) gde je za svako jedinjenje integrisana površina pod vrhom (u millivolt/s, mVS ) proporcionalna koncentraciji jedinjenja. Integrisani mikroprocesor u Voyager-u pretvara površine ispod pikova u ppm ili ppb. Grafik koji plotuje odziv na detektoru prema vremenu rezultuje takozvanim hromatogramom, gde retenciono vreme (vreme zadržavanja) svakog vrha
Fruška £ ora ZBORNIK RADOVA 7. Me unarodna "Ex" Tribina 21-23. septembar 2011.
INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD 236INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD
ukazuje na identitet pojedinačnog jedinjenja a površina ispod vrha ukazuje na njegovu koncentraciju. [2] Tipični hromatogram uzorka vazduha koji sadrži mešavinu benzena (1), toluena (2), etilbenzena (3), m-ksilena (4), i o-ksilena (5) prikazan je na Slici 2. Benzen napušta kolonu prvi, dok se o-ksilen najduže zadržava.
Slika 2. Tipični hromatogram za mešavinu benzena, toluena, etilbenzena, m-ksilena i o-ksilena [3] Tri faktora mogu da utiču na retenciono vreme jedinjenja: 1. Brzina nosećeg gasa; 2. Temperatura kolone; 3. Tip kolone
Slika 3. Hromatograf smeše gasova nakon 5 ponavljanja [3] -500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 13
Retention Time (sec)
Photoionization Current (counts)
Benzene 53 ppb
3.5 %rsd Toluene 90 ppb
4.3 %rsd
Ethylbenzene 175 ppb0.9 %rsd m-Xylene
175 ppb1.1 %rsd
Fruška £ ora ZBORNIK RADOVA 7. Me unarodna "Ex" Tribina 21-23. septembar 2011.
INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD 237INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD
Ćelija fotojonizacionog detektora sadrži lampu koja usmerava ultravioletno svetlo kroz ćeliju kroz koju prolazi gas za ispitivanje (Slika 4). UV svetlost nastaje kada se visokofrekventna energija spreže preko antene obmotane oko držača lampe. Ovo dovodi do pobuđivanja gasa niskog pritiska u lampi i do emitovanja svetlosti. Rezultujuća UV svetlost ima talasnu dužinu od 120 nm (plavo-ljubičasta svetlost) i energiju od 10.6 elektron volti (eV). Kada se ova svetlost apsorbuje od strane molekula koji su izašli iz kolone, jedinjenja se jonizuju i elektroni se otpušaju iz jedinjenja. Nakon što se jedinjenja jonizuju od strane lampe, jonizovane čestice u ćeliji detektora izlažu se kontinualnom električnom polju između odbojne i kolektorske elektrode. Joni se kreću u električnom polju i generišu struju koja je proporcionalna koncentraciji jonizovanih molekula u detektorskoj ćeliji. Električna kola prevode struju u napon, koji se tada prosleđuje do procesora. Većina hemijskih polutanata se jonizuje pomoću lampe sa energijom od 10.6 eV. Međutim neki gasovi kao što su argon, ugljendioksid, azot, kiseonik, vodena para, itd., zahtevaju mnogo veću energiju za jonizaciju i ne mogu se detektovati pomoću PID detektora. [3]
Slika 4. Grafički prikaz PID detektora [3]
Fruška £ ora ZBORNIK RADOVA 7. Me unarodna "Ex" Tribina 21-23. septembar 2011.
INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD 238INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD
3.1.2 DETEKTOR ZA ZAHVAT ELEKTRONA (ECD)
Detektor za zahvat elektrona ECD je najosetljiviji detektor koji je dostupan za analizu elektrofilnih jedinjenja kao što su hlorovan ugljovodonici i druga organska jedinjenja koja poseduju halogene. On je osetljiv na koncentracije i nije destruktivan (Slika 5). Izvor elektrona, nikl-63, nalazi se unutar ECD detektora i generiše elektrone konstantnom brzinom. Kako bi se optimizovao odziv detektora, pomoćni gas (druga struja nosećeg gasa) se kombinuje sa gasom koji prolazi kroz kolonu. Elektroni koji se emituju iz od strane 63Ni jonizuju pomoćni gas (azot) i stvaraju nove elektrone. Rezultujući joni i elektroni kreću se do kolektorske elektrode i postaju pozadinski signal. Kada elektrofilno jedinjenje prođe kroz ECD, ono prihvata deo generisanih elektrona koji generišu jone, koji se kreću sporije. Ovo izaziva pad u brzini vezivanja na kolektorsku elektrodu. Pad u struji elektrona direkno je proporcionalan koncentraciji elektrofilnih VOC. [3] Kombinacijom ovih detektora moguće je detektovati i kvantitativno odrediti preko 400 razičitih organskih jedinjenja (Prilog 1).
Slika 5. Grafički prikaz ECD detektora [3]
Fruška £ ora ZBORNIK RADOVA 7. Me unarodna "Ex" Tribina 21-23. septembar 2011.
INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD 239INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD
4.0 Rad uređaja u sredinama sa EX atmosferom Prenosivi gasni hromatograf „Voyager“ je klasifikovan za upotrebu u Klasi 1, Divizija 1, Grupe A, B, C, D u temperaturnoj klasi T4. „Voyager“ nije predviđen za detektovanje koncentracija eksplozivnih smeša već za upotrebu u eksplozivnim atmosferama. Kao takav, to je jedini gasni hromatograf na tržištu koji poseduje mogućnost rada u EX atmosferama. [3]
5.0 Prednosti rada sa „Voyager“-om Prednosti rada sa gasnim hromatografom marke „Voyager“ SU SLEDEĆE: • Uređaj je potpuno prenosiv. • Težine je svega 6.8 kg sa instaliranom baterijom. • Male je veličine (D׊×V = 39×27×15) • Poseduje ugrađene tri kolone za različita jedinjenja (teško, srednje i lako isparljiva) kao i dva detektora (PID i ECD) • Fabrički programirane metode • Metode se mogu modifikovati od strane korisnika • Brzo merenje sadržaja VOC • U EX izvedbi (Klasa1, Zona 1, Grupe A, B, C i D - po SRPS IEC 60079-xx Ex II 1 G
Ex d, ia IIC T4) JEDINI PORTABL GC u Ex IZVEDBI!!!! [4]
6.0 Literatura [1] M. Hristova, S. Tchaoushev, Calculation of flash points and flammability limits of substances and mixtures, Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 41, 3, 2006, 291-296 [2] Bruno Kolb, Leslie S. Ettre, Static Headspace–Gas Chromatography: Theory and Practice, Second Edition, A John Wiley & Sons, Inc. Publication, 2006. [3] PerkinElmer, Photovac Voyager Portable GC User’s Guide, April 2001 [4] TechTIP’s - The latest from PerkinElmer PhotovacVoyager Portable GC Operational Reference Guide, Volume 6, Number 1
Fruška £ ora ZBORNIK RADOVA 7. Me unarodna "Ex" Tribina 21-23. septembar 2011.
INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD 240INSTITUT ZA PREVENTIVU, NOVI SAD
PRILOG 1. Jedinjenja koja je moguće detektovati pomoću prenosnog gasnog hromatografa marke „Voyager“ Detektor Detektor