Способ определения избыточной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе
METHOD FOR DETERMINING EXCESS CONCENTRATION OF CARBON DIOXIDE IN ATMOSPHERIC AIR

Изобретение относится к области спектрального анализа газов и предназначено для определения избыточной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе.
2
2
2
2
Известен способ оценки концентрации загрязняющих веществ на основе лидарного зондирования [Р. Межерис «Лазерное дистанционное зондирование», пер. с англ., М., изд. «Мир», 1987 г., стр. 455-460], согласно которому зондируют участок атмосферы импульсами лидара на контролируемой трассе, принимают по первому каналу сигнал основного излучения за счет упругого обратного рассеяния, принимают по второму каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния от молекул основного газа атмосферы N или О, принимают по третьему каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния от молекул загрязняющего вещества NO или СО, нормируют сигнал комбинационного рассеяния от молекул загрязняющего вещества по обратному каналу комбинационного рассеяния от молекул основного газа, по известной концентрации молекул основного газа в атмосфере и по пронормированному отношению сигналов обратного рассеяния получают концентрацию загрязняющего вещества.
Недостатками способа с использованием лидарного зондирования являются локальность получаемых результатов оценок, привязанных только к трассе распространения узкого луча зондирования, необходимость генерации энергии для активного зондирования атмосферы в выбранном участке светового диапазона, относительно низкая точность определения концентрации углекислого вследствие его растворения в конденсированной влаге атмосферы.
Известен также способ определения примесей кислорода в азоте [SU 1742700, A1, G01N 27/18, 23.06.1992], заключающийся в том, что анализируемую смесь подают в камеру с чувствительным элементом, выполненного в виде терморезистора из вольфрама, покрытого слоем гексаборида лантана, и по изменению величины электрического сопротивления которого судят о концентрации кислорода в азоте.
Недостатком способа является относительно узкая область применения и относительно высокая сложность, обусловленная тем, что требуется нагрев чувствительного элемента до температуры выше 1000°С.
Кроме того, известен способ измерения кислорода в азоте [Газоанализатор кислорода ФЛЮОРИТ-Ц. Руководство по эксплуатации 5К1.552.045 РЭ], заключающийся в том, что анализируемую смесь подают в камеру, где находится чувствительный элемент, и по изменению величины электродвижущей силы (ЭДС), возникающей на чувствительном элементе судят о концентрации кислорода в азоте.
Недостатком этого способа также является относительно узкая область применения и относительно высокая сложность, поскольку для обеспечения требуемой точности измерения требуется нагрев чувствительного элемента выше 600°С и поддержание этой температуры с высокой точностью.
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения концентрации примесей в газах, [RU 2556337, C1, G01N 27/18, 10.07.2015], заключающийся в том, что анализируемый газ подают в камеру с чувствительным элементом, измеряют его электрическое сопротивление и по изменению величины которого судят о концентрации примеси, причем, в качестве чувствительного элемента используют деионизованную воду.
Изобретение обеспечивает возможность регистрации примесей кислорода в инертном газе в широком диапазоне определяемых концентраций, а также позволяет упростить конструкцию используемого оборудования.
Недостатком способа является относительно низкая точность определения примесей в газе и относительно узкая область применения, ограниченная возможностью регистрации примесей кислорода в инертном газе, что сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы в частности, для определения концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе и атмосферных осадках и фиксировать избыточность концентрации.
Задачей изобретения является создание способа контроля избыточной концентрации примесей углекислого газа в атмосферном воздухе и атмосферных осадках, отличающегося более высокой точностью определения примесного состава углекислого газа в воздухе и осадках с возможностью осуществления контроля вблизи точек забора проб.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности определения избыточной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе и в атмосферных осадках, а также наличием возможности определения избыточной концентрации углекислого газа вблизи точек забора проб воздуха.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе определения избыточной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе, заключающемся в том, что, атмосферный воздух пропускают через чувствительный элемент, в качестве которого используют пробу деионизованной воды, согласно изобретению, пробу деионизованной воды с пропущенным через нее атмосферным воздухом испаряют в разрядной камере парожидкостного плазмотрона и возбуждают плазменный разряд в среде ее мелкодисперсных частиц с последующей регистрацией атомно-эмиссионной типичной спектрограммы, содержащей пики характеристического излучения углерода, по высоте которых судят о предельно допустимой концентрации углекислого газа в анализируемом воздухе.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, при пропускании атмосферного воздуха через пробу деионизованной воды регистрируют спектрограмму анализируемого воздуха.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, после регистрации типичной спектрограммы и спектрограммы анализируемого воздуха осуществляют их сравнение по высоте пиков углерода визуально или с использованием математической обработки спектрограмм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в случае, когда высота пиков углерода в спектрограмме анализируемого воздуха выше, чем в типичной спектрограмме, принимают решение о том, что в анализируемом атмосферном воздухе есть превышение концентрации углекислого газа, значение которого определяют на основе градуировочных графиков, отражающих зависимость высоты пиков углерода в спектрограммах от примесной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве чувствительного элемента используют пробу дождевой воды и регистрируют спектрограмму атмосферных осадков.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, после регистрации типичной спектрограммы и спектрограмма атмосферных осадков осуществляют их сравнение по высоте пиков углерода в этих спектрограммах визуально или с использованием математической обработки спектрограмм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в случае, когда высота пиков углерода в спектрограмме атмосферных осадков выше, чем в типичной спектрограмме, принимают решение о том, что атмосферными осадками осуществлена очистка атмосферного воздуха на контролируемой территории и осуществляют расчет объемов утилизированного углекислого газа на основе градуировочных графиков, отражающих зависимость высоты пиков углерода в спектрограммах от примесной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - фрагмент спектрограммы деионизованной воды, насыщенной атмосферным воздухом с пиком углерода на длине волны 193,025 нм;
фиг. 2 - фрагмент спектрограммы деионизованной воды, насыщенной выдыхаемым человеком воздухом с пиком углерода на длине волны 193,025 нм;
на фиг. 3 - фрагмент спектрограммы дождевой воды с пиком углерода на длине волны 193,025 нм.
Способ определения избыточной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе реализуется следующим образом.
Способ может применяться для определения превышения допустимой концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе при контроле выбросов парниковых газов в атмосферу Земли.
Способ определения избыточной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе заключается в том, что анализируемый атмосферный воздух пропускают через чувствительный элемент - деионизованную воду с удельным сопротивлением 18 МОм/см. В процессе пропускания воздуха через деионизованную воду контролируют изменение ее удельного сопротивления. В момент, когда удельное сопротивление воды достигает минимального значения и перестает изменяться, пропускание воздуха через воду прекращают. Затем измеряют Ph-фактор образовавшейся воды, которую называют анализируемой пробой воды и регистрируют спектрограмму анализируемой пробы воды с использованием парожидкостного плазмотрона или другого источника плазмы и комплекта спектрометрического оборудования. По высоте пиков характеристического излучения углерода в спектрограмме судят об уровне концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. Для контроля превышения допустимого уровня углекислого газа в атмосферном воздухе создают типичный образец анализируемой пробы воды с использованием атмосферного воздуха, содержащего в своем составе предельно допустимый уровень концентрации углекислого газа. Затем регистрируют спектрограмму типичного образца пробы воды с использованием оборудования и режимов, полностью идентичных тем режимам, при которых была осуществлена регистрация спектрограммы анализируемой пробы воды. Сравнивая высоту пиков углерода в этих спектрограммах, контролируют наличие превышения примесей углекислого газа в атмосфере контролируемого воздуха.
2
2
3
При этом, известно, что растворимость углекислого газа в воде превышает растворимость кислорода в 30 раз, азота в 60 раз, и очень интенсивно углекислый газ растворяется в самой чистой - деионизованной воде. Деионизованная вода - это вода высокой степени очистки. Содержание примесей в ней не более 0,00001%. Кроме того, деионизованная вода обладает способностью впитывать ионы примесей из окружающей среды. Если пропустить через такую воду смесь газов, то ее примеси будут постепенно переходить в воду, вызывая ее загрязнение. Чистоту воды контролируют по величине ее удельного электрического сопротивления. Количество примесей, перешедших в воду, зависит от концентрации примеси и от объема прошедшего через воду газа. Чем больше объем газа, прошедшего через воду, тем точнее определяется в нем малая концентрация примеси. Авторами экспериментально подтверждено, что насыщение деионизованной воды с удельным сопротивлением 18 МОм/см атмосферным воздухом при нормальных условиях приводит к повышению удельного сопротивления деионизованной воды до значений 0,7 МОм/см. Изменение удельного сопротивления деионизованной воды связано с наличием в атмосферном воздухе примесей углекислого газа СО, который при взаимодействии с водой образует слабую угольную кислоту НСО, присутствие которой в деионизованной воде снижает ее удельное сопротивление. Также было отмечено, что повышение удельного сопротивления деионизованной воды объемом 100 мл при пропускани через нее атмосферного воздуха происходит в течение 7-8 минут и потом остается без изменений в течение длительного времени. Таким образом, авторами подтверждено, что при пропускании атмосферного воздуха через деионизованную воду происходит ее насыщение углекислым газом до определенного фиксированного уровня. Аналогичный эксперимент был проведен с насыщением деионизованной воды воздухом, выдыхаемым человеком. Условия проведения эксперимента с выдыхаемым воздухом были полностью идентичны условиям эксперимента с атмосферным воздухом. В результате проведения эксперимента установлено, что насыщение деионизованной воды углекислым газом происходит за 7-8 минут, удельное сопротивление деионизованной воды снизилось до значения 0,07 МОм/см и оставалось неизменным при продолжении пропускания выдыхаемого воздуха через деионизованную воду. Также было определено удельное сопротивление дождевой воды, собранной в рядом с г. Москва. Значение удельного сопротивления дождевой воды составило 0,03 МОм/см.
Для контроля примесей углерода в трех образцах воды, являющихся образцами чувствительных элементов в заявляемом способе, были зарегистрированы спектрограммы с использованием парожидкостного плазмотрона и комплекта спектрометрического оборудования. Регистрация спектрограмм была осуществлена для трех образцов воды в идентичных технологических режимах. Регистрация спектрограмм представляет собой регистрацию и обработку сигнала от излучения дугового разряда в разрядной камере плазмотрона в среде анализируемого водного раствора. Фрагменты спектрограмм с пиком углерода на длине волны характеристического излучения углерода 193,025 нм представлены на фиг. 1, фиг. 2, фиг 3.
2
3
Анализ спектрограмм позволяет утверждать о наличии корреляции между высотой пика углерода на спектрограмме и значением удельного сопротивления чувствительного элемента. Чем выше пик углерода, тем выше концентрация углерода в воде, ниже удельное сопротивление воды за счет большей концентрации НСО в ее составе, и соответственно, выше концентрация углекислого газа в анализируемом воздухе.
Пример осуществления предложенного способа.
1. Готовят пробу атмосферного воздуха с предельно допустимой концентрацией углекислого газа, 0,15%.
2. Затем берут пробу деионизованной воды объемом 200 мл и заливают в узкий высокий стакан из химического стекла. Измеряют удельное сопротивление залитой воды, которое должно быть не менее 18 МОм/ см. Трубку подачи анализируемого воздуха размещают на дне стакана и подают атмосферный воздух со скоростью до 100 л/ч, при этом контролируют снижение удельного сопротивления деионизованной воды до момента, когда значение удельного сопротивления перестанет снижаться.
3. Полученную типичную пробу воды, являющуюся в данном способе чувствительным элементом, заливают в промытый деионизованной водой парожидкостной плазмотрон. Критерием чистоты плазмотрона является отсутствие в спектрограммах плазмотрона, заправленного деионизованной водой, пиков характеристического излучения углерода. Плазмотрон, заправленный типичной пробой воды, включают, и после его вхождения в рабочий режим осуществляют регистрацию спектрограммы с использованием комплекта оборудования для регистрации атомно-эмиссионных спектров. Полученной спектрограмме присваивают название «типичная спектрограмма». После регистрации спектрограммы плазмотрон промывают деионизованной водой и контролируют качество отмывки путем регистрации спектрограмм деионизованной воды, в которых не должно быть пиков углерода.
4. Выполняют действия п. 2 и п. 3 с изменениями:
- вместо атмосферного воздуха с предельно допустимой концентрацией используют анализируемый воздух;
- полученной спектрограмме присваивают название «спектрограмма анализируемой пробы».
5. Осуществляют сравнение двух спектрограмм визуально или с использованием средств математической обработки сигналов.
6. В случае, если высота пиков характеристического излучения углерода в спектрограмме анализируемого раствора выше, чем высота пиков характеристического излучения углерода в спектрограмме типичного раствора, принимают решение о том, что в анализируемом атмосферном воздухе есть превышение концентрации углекислого газа, значение которого определяют на основе градуировочных графиков, отражающих зависимость высоты пиков углерода в спектрограммах от примесной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе.
7. При наличии атмосферных осадков осуществляют сбор этих осадков, отбирают пробу в объеме 200 мл;
8. Измеряют значение удельного сопротивления отобранной дождевой воды.
9. Выполняют действия п. 3 с изменением - полученной спектрограмме присваивают название «спектрограмма атмосферных осадков»;
10. Выполняют действия п. 5;
11. В случае, если высота пиков характеристического излучения углерода в спектрограмме атмосферных осадков выше, чем высота пиков характеристического излучения углерода в спектрограмме типичного раствора, принимают решение о том, что атмосферными осадками осуществлена очистка атмосферного воздуха на контролируемой территории и осуществляют расчет объемов утилизированного углекислого газа на основе градуировочных графиков, отражающих зависимость высоты пиков углерода в спектрограммах от примесной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного способа достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении точности определения избыточной концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе и в атмосферных осадках, а также наличием возможности определения избыточной концентрации углекислого газа вблизи точек забора проб воздуха.