Sposoby pobierania próbek gazowych

Anality oznaczane w próbkach gazowych można podzielić na gazowe, aerozole i stałe, na organiczne i nieorganiczne lub na składniki o różnej lotności. Do gazów i par należą gazowe składniki nieorganiczne, gazowe związki organiczne, pary związków organicznych (średnio i bardzo lotnych), nielotne związki organiczne (zawieszone), substancje zaadsorbowane na powierzchni organiczne i nieorganiczne.

Próby powinny być pobierane do właściwych naczyń, niepowodujących kontaminacji próby, adsorpcji czy katalitycznych przemian analitu. Wielkość próbki zależy od rodzaju i liczby przewidywanych do wykonania badań (oznaczeń) oraz rodzaju stosowanych metod analitycznych i powinna umożliwić przynajmniej dwukrotne powtórzenie każdego z planowanych oznaczeń.

97 Sposoby pobierania próbek gazowych mogą być manualne i automatyczne. Metody automatyczne połączone są z jednoczesną analizą gazu (analizator gazowy). Metody manualne dzieli się na sedymentacyjne, izolacyjne i aspiracyjne.

Metody sedymentacyjne stosowane są głównie do pomiaru opadu pyłu i polegają na swobodnym osadzaniu się na płycie osadczej o określonych i znanych wymiarach w czasie trwania pomiaru. W metodach izolacyjnych próbka gazowa pobierana jest do pojemnika i transportowana do laboratorium. Jeśli pobierany gaz jest pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego, wystarczy pojemnik gazowy podłączyć do punktu poboru, przepłukać 10-krotną objętością pojemnika pobieranym gazem, napełnić pojemnik i zamknąć.

Gdy pobierany gaz jest pod ciśnieniem atmosferycznym stosuje się pojemniki próżniowe lub zasysa gaz do pojemnika przez wypływającą z niego ciecz. Pojemniki próżniowe to zakończone zatopioną kapilarą szklane ampułki gazowe, z których uprzednio odpompowano powietrze. Pojemniki próżniowe nadają się do pobierania w warunkach terenowych, w miejscach trudno dostępnych oraz do pomiarów chwilowych. Po napełnieniu pojemnika koniec kapilary zamyka się kulką z wosku. Posługiwanie się pojemnikiem próżniowym jest bardzo wygodne, ale przygotowanie go do poboru gazu wymaga kilkukrotnego mycia, w tym roztworem KOH, długiego suszenia, przepłukiwania gazem obojętnym i odpompowywania do żądanego podciśnienia. Większe objętości gazów pobiera się do butli próżniowych. Zasada poboru jest taka sama jak w przypadku ampułki gazowej. Szklaną butlę próżniową przedstawiono na rysunku 2.

Rysunek 2. Butla szklana próżniowa do pobierania próbek gazowych

Butle lub ampułki próżniowe nazywane ewakuowanymi (ewakuowanie – odpompowywanie zawartości) wykonywane są ze szkła lub stali nierdzewnej.

Do zasysania gazu przez wypływającą z pojemnika ciecz (technika zastąpienia cieczy przez gaz) stosuje się pipety gazowe, szklane lub metalowe. Budowę pipety gazowej przedstawiono na rysunku 3.

termometr

do pompy próżniowej lub

do układu pobierania

98 Rysunek 3. Pipeta gazowa z komorą nastrzykową

Pipeta gazowa składa się z korpusu zaopatrzonego w dwa króćce oraz bardzo często w komorę nastrzykową, umożliwiającą pobieranie gazu strzykawką gazową. Długość pipety gazowej wynosi najczęściej 120 cm, a średnica 30 cm. Poniżej, na rysunku 4 przedstawiono zasysanie gazu przez ciecz wypływającą z pipety gazowej.

Rysunek 4. Pobieranie próbki gazowej techniką zastąpienia cieczy przez gaz

Coraz szersze zastosowanie do pobierania gazów znajdują worki z wielowarstwowego materiału, z takich tworzyw jak: teflon, Tedlar, PCV, Mylar i folia aluminiowa. Worki z tworzyw łatwo napełniają się i mogą mieć różną pojemność, od 1 do 100 L. Worki można stosować do pobierania pojedynczych prób lub sekwencyjnego pobierania wielu prób. Worki znajdują się w szczelnej obudowie metalowej, w której można wytworzyć podciśnienie i pobierać próby powietrza w terenie.

Pobieranie próbek metodami aspiracyjnymi polega na wymuszonym ruchu gazu przez pojemnik z cieczą absorbującą lub sorbentem stałym.

Komora nastrzykowa (króciec,

membrana z gumy silikonowej, nakrętka)

Zasysanie próbki

Wypływ cieczy zasysającej

99 Najprostszym aspiratorem ręcznym jest strzykawka gazoszczelna, połączona z rurką wypełnioną sorbentem, którą można pobrać próbkę gazu bezpośrednio z punktu poboru. Sposób wykorzystania strzykawki gazoszczelnej do pobierania próbek gazowych pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Wykorzystanie strzykawki gazoszczelnej do pobierania próbek gazowych

Pojemność strzykawki gazoszczelnej może wynosić nawet 1 L. Objętość pobieranej próbki gazowej będzie większa, jeśli ruchy tłoczkiem będą wielokrotne.

Innym prostym aspiratorem, niewymagającym mechanicznego pobierania próbki, jest aspirator butelkowy, którego zasadę działania pokazano na rysunku 6. Wypływająca przez zamknięcie syfonowe ciecz zasysa gazową próbkę poprzez płuczkę z substancją pochłaniającą (absorbującą). Zamiast płuczki może być rurka z sorbentem stałym. Urządzeniem zasysającym gaz może być pompka harmonijkowa ręczna lub nożna. Takie urządzenia stosowane są w wykrywaczach gazów, gdzie nie ma potrzeby pomiaru objętości próbki.

Rysunek 6. Aspirator butelkowy

Schemat budowy aspiratora z pompą, licznikiem gazu i przepływomierzem przedstawiono na rysunku 7. Gaz zasysany przez pompę ssąco-tłoczącą (6) przechodzi przez filtr (1), rotametr (2), który wskazuje prędkość przepływu gazu a następnie przez płuczkę (3) z cieczą absorbującą oznaczany składnik próbki gazowej. Z absorbera gaz przechodzi przez osuszającą warstwę żelu krzemionkowego, umieszczonego w podłużnym naczyniu (4), a następnie przepływa przez licznik

Strzykawka gazoszczelna Rurka sorpcyjna

Filtr Sorbent Łącznik

Zasysany gaz Roztwór absorbujący Ciecz zasysająca

Aspirator, czyli urządzenie lub zestaw do pobierania próbek techniką aspiracyjną składa się z

pojemnika wypełnionego substancją pochłaniającą, urządzenia do zasysania próbki i mierzenia jej objętości lub objętościowej prędkości przepływu.

100 gazu (5). Pozbawiony analitów gaz zostaje odprowadzony do atmosfery. Rotametr pozwala ustawić odpowiednią prędkość poboru próbki. Licznik gazu wskazuje całkowitą objętość pobranego gazu.

Rysunek 7. Schemat budowy aspiratora

W aspiratorze może znajdować się jedna lub zestaw ustawionych szeregowo płuczek lub rurek sorpcyjnych. Płuczki muszą zapewnić wystarczający kontakt gazu z cieczą absorbującą. Najczęściej stosowane są płuczki z bełkotką wykonaną ze szkła porowatego (rysunek 8). Wydajność płuczki można zwiększyć przez jej chłodzenie, zwiększenie wysokości słupa cieczy pochłaniającej lub zmniejszeniu objętości pobieranej próbki (mniejsze straty z powodu odparowywania absorbowanych składników i cieczy absorbującej).

Rysunek 8. Płuczki z bełkotką ze szkła porowatego, a) – płuczka Vašaka z płaską przegrodą porowatą, b) – rurka zakończona szkłem porowatym

Rurki sorpcyjne można wykonać w laboratorium, stosując odpowiedni sorbent lub korzystać z gotowych, dostępnych komercyjnie. Wypełnienie rurek jak i ich rozmiar zależy od oznaczanej substancji i jej stężenia w badanym gazie. W tabeli 2 podano przykłady stosowanych sorbentów stałych.

a) b) 1 5 4 2 3 6

101 Tabela 2. Charakterystyka wybranych sorbentów stałych stosowanych w analizie próbek gazowych

Nazwa Typ Charakterystyka

Węgiel aktywny z drzewa kokosowego, otrzymywany w procesie suchej destylacji

drewna, z produktów przeróbki ropy naftowej

Węgiel aktywny Bardzo rozwinięta powierzchnia, częściowo

polarna o dużej pojemności Carbosieve (S-II, S-III)

Ambersorb (Xe-340, Xe-347) Carboxen (569, 663,664) Węglowe sita molekularne Średnio rozwinięta powierzchnia, mała polarność Carbotrap B Carbotrap C Carbotrap F Węgiel grafityzowany Mała powierzchnia właściwa, niepolarny Chromosorb 102 Chromosorb 106 Porapak Q XAD-2 XAD-4 Polimery i kopolimerystyrenu i diwinylobenzenu Średnio rozwinięta powierzchnia, różna polarność Tenax-GC Tenax-TA Polimery tlenku fenylowo-fenylenowego Mała powierzchnia właściwa, mała polarność

Aspiratory służą również do pobierania pyłów, wówczas zasysany gaz przechodzi najpierw przez zestaw filtrów o odpowiedniej średnicy porów. Filtry wykonane są zazwyczaj z włókien celulozowo-szklanych, przed i po użyciu suszonych i kondycjonowanych w odpowiednich warunkach oraz ważonych. Stężenie pyłu w powietrzu oblicza się z różnicy mas filtrów i objętości pobranego powietrza. Pyły są pobierane również w celu oznaczenia zaadsorbowanych na nich substancji.