Анализ газовых смесей на газоадсорбционном хроматографеЦель работы. Научиться разделять газовые смеси с помощью газоадсорбционных хроматографов.
Краткая теория Приборы, с помощью которых проводится контроль, анализ и разделение газовых смесей, называют газоанализаторами и газовыми хроматографами. Они могут быть автоматическими и переносными. Современные аналитические газоанализаторы позволяют определять содержание в газовой смеси двуокиси углерода (CO2), кислорода О2, окиси углерода и водорода (CO+H2), метана CH4 и др. Газоанализаторы широко применяют для контроля процессов горения в топочных устройствах парогенераторов, печей и других агрегатов, для анализа газовых смесей и т.д. Для поддержания процесса горения в топке необходимо подавать строго оптимальное количество воздуха, которое определяется коэффициентом избытка воздуха. Если подаваемого воздуха не хватает, то не все топливо полностью сгорает. Если подается слишком много воздуха, то топка переохлаждается и увеличиваются потери тепла с уходящими газами. Контроль нормального горения топлива ведется с помощью анализа дымовых газов. Номенклатура газоаналитических приборов очень разнообразна вследствие большого разнообразия анализируемых газовых смесей. На газоадсорбционном учебном хроматографе достаточно легко можно провести разделение газовой смеси, состоящей из водорода, оксида углерода, метана и воздуха. Адсорбция этой смеси осуществляется на активированном угле марки АГ, а в качестве газа – носителя применяется углекислый газ. Газ-носитель вытесняет из колонки компоненты анализируемой смеси в следующем порядке: водород, воздух, оксид углерода, метан. В приемной газовой бюретке, наполненной раствором щелочи, углекислый газ поглощается, что дает возможность замерять объемы газов, выходящих последовательно из колонки. Зная объем каждого компонента, порядок и время его выделения, строят ступенчатую хроматограмму, по которой и устанавливают количественный состав газовой смеси в %.
Схема газоадсорбционного хроматографа
1 – газовая бюретка; 2, 13, 17 – прямые краны; 3, 5, 6, 7, 8, 9 – трехходовые краны; 4 – хромотографическая колонка; 7 – донатор; 11 – подъемный столик; 12 – ртутный манометр; 10 – аспиратор с пробой анализируемого газа; 14 – реометр; 15 – винтовой зажим; 16 – очистительная трубка; 18 – аппарат Киппа.
Реактивы Едкий натр или едкое кали, 30% раствор. Активный уголь марки АГ. Дробят в ступке, отсеивают на сите с отверстиями 0,5 и 0,25 мм. Полученные гранулы отмывают дистиллированной водой от угольной пыли до тех пор, пока сливная вода не станет прозрачной, а затем сушат при 140-150 ᵒС до постоянной массы. Соляная кислота, разбавленная водой 1 Мрамор мелкокусковой. Перед загрузкой в аппарат Киппа мрамор (для удаления из него воздуха) помещают на 3 ч в кипящую дистиллированную воду. Ангидрон (перхлорат магния) гранулированный. Карбонат натрия кусковой.
Устройство прибора Для сборки хроматографа необходимы следующие части. Газовая бюретка 1. Верхняя часть бюретки – узкая трубка с краном 2, вместимостью 3-5 мл, с ценой деления 0,02-0,05 мл – вставлена в водяную рубашку; нижняя расширенная часть бюретки соединена с напорной склянкой, в которую налит раствор щелочи. Во избежание попадания щелочи в систему внизу этой части бюретки, на уровне отводной трубки к крану 3 имеется ртутный затвор. Хроматографическая колонка 4 W-образной формы представляет собой стеклянную трубку с внутренним диаметром 405 мм длиной 4 м, наполненную активным углем марки АГ. В случае анализа трех компонентного газа (без оксида углерода) длину колонки можно уменьшить до 2 м. Для поддержания постоянной температуры колонка установлена в цилиндр с водой. На двух концах колонки расположены трехходовые краны 5 и 6, с помощью которых колонка отключается от системы. Дозатор 7 для измерения объема поступающей на анализ пробы газа. Дозатор представляет собой трубку вместимостью 1,5-2,5 мл с двумя кранами 8 и 9. К крану 9 можно присоединить аспиратор с анализируемым газом, уравнительную склянку которого устанавливают на столик 11. Манометр ртутный 12 U-образной формы с тройником на конце. Один конец тройника через кран 9 присоединен к системе, а другой – через кран 13 к реометру 14, который служит для измерения скорости подачи в колонку углекислого газа (в мл/мин). Аппарат Киппа 18 для получения углекислого газа. К нему присоединена трубка 16 объемом 2-3 мл, наполненная карбонатом натрия и ангидроном. Трубка служит для очистки углекислого газа от примесей паров соляной кислоты и воды. Между очистительной трубкой и реометром на шланге надет винтовой зажим 15, с помощью которого регулируют подачу газа в хроматограф. Для быстрого вытеснения воздуха из системы все трубки, соединяющие отдельные части прибора, должны иметь внутренний диаметр не более 1 мм. Подготовка прибора Перед работой необходимо убедиться, что все стеклянные краны легко поворачиваются в муфте. В уравнительную склянку наливают 30% раствор щелочи, а в стаканчик, куда опущен шланг от крана 3, - дистиллированную воду. Градуировка бюретки. Во время проведения анализа измерения объема газа удобно проводить, когда уравнительная склянка бюретки установлена на столе. При этом в бюретке создается некоторое разрежение, вызываемое разностью уровней раствора щелочи в бюретке и в уравнительной склянке. Следовательно, при дальнейших измерениях объемов выделяющихся компонентов газовой смеси необходимо вводить поправку. Для составления поправочной таблицы при закрытом кране 3 через кран 2 набирают в бюретку некоторый объем воздуха. Поднятием уравнительной склянки измеряют его объем при атмосферном давлении. Затем склянку ставят на стол и снова измеряют объем несколько разреженного газа. Эту операцию повторяют несколько раз с разным количеством воздуха. Проверка прибора на герметичность. Опуская ниже крышки стола уравнительную склянку бюретки, поворачивая краны 3, 5 и 6, соединяют колонку с бюреткой 1 и наблюдают в ней пузырьки воздуха. Если прибор герметичен, через некоторое время прохождение пузырьков прекращается. В противном случае устанавливают и устраняют неплотности. Так же поступают при проверке остальных частей прибора, постепенно включая их в систему.
Методика определения Поднятием уравнительной склянки при открытом кране 2 бюретку заполняют раствором щелочи. Затем, открывая краны 5, 6, 8 и 9в положение на хроматографическую колонку 4, а кран 3 – в положение на стакан с водой и, постепенно отвинчивая зажим 15, пропускают углекислый газ со скоростью не выше 30 мл/мин, чтобы удалить из прибора воздух и другие адсорбционные газы. Для контроля полноты вытеснения через некоторое время, когда пузырьки газа будут медленно выделяться в стаканчик, кран 3 поворачивают в положение на бюретку. При этом наблюдают незначительное накопление газа в бюретке (порядка 0,01 мл/мин). Это указывает на полноту вытеснения воздуха и удовлетворительную чистоту углекислого газа. В противном случае продолжают вытеснять воздух. Если происходит выделение в бюретку пузырьков, по размеру больше диаметра верхней части газовой бюретки, то добиваются их уменьшения с помощью зажима. Когда скорость углекислого газа достигнет 15-18 мл/мин и прирост объема газа в бюретке будет постоянным, определяют количество примесей в газе-носителе. Для этого в течение 5 минут пропускают углекислый газ и отмечают прирост объема в газовой бюретке V. По полученным данным вычисляют поправку x(в мл/мин) на примеси в углекислом газе за 1 мин по формуле: x=V/5. С помощью поправочной таблицы полученный объем x приводят к атмосферному давлению. Снова поднятием уравнительной склянки при открытом кране 2 доводят раствор щелочи в бюретке до нулевого деления. Устанавливают на подъемный столик аспиратор с анализируемым газом. После присоединения аспиратора к заборному шлангу крана 9 поворачивают кран 9 в положение на дозатор, а кран 8 открывают на атмосферу и поднятием уравнительной склянки аспиратора промывают дозатор анализируемым газом. Быстро закрывают кран 8, а затем кран 9. Переводят кран 9 на соединение с линией подачи углекислого газа из аппарата Киппа в дозатор и при помощи углекислого газа передавливают в колонку. Из колонки газовые компоненты в виде бинарных смесей с углекислым газом направляются в газовую бюретку со щелочью Углекислый газ поглощается щелочью, а газы поднимаются в верхнюю часть бюретки. Одновременно с переводом крана 9 на дозатор включают секундомер и записывают в тетрадь показания бюретки каждые 30 с, а при выделении газового компонента каждые 15 с. Объемы, измеренные по бюретке, приводят к атмосферному давлению, пользуясь поправочной таблицей. В процессе всего анализа наблюдают по реометру за постоянством скорости подачи углекислого газа. На основе полученных данных на миллиметровой бумаге строят ступенчатую хроматограмму, откладывая по оси абсцисс время (в мин), а на оси ординат объем выделившегося газа (в мл).
Контрольные вопросы 1. Для чего осуществляют контроль газовых смесей? 2. Что такое коэффициент избытка воздуха? 3. Что определяют с помощью газоанализаторов и хроматографов? 4. Сущность метода разделения газовых смесей. 5. Какие газы можно определять с помощью газоанализаторов?
|
.
