Chemilumineszenz-Methode

Inhaltsverzeichnis

• Was ist die Chemilumineszenzmethode?
• Aufbau und Funktionsweise eines Gasanalysators mit Chemilumineszenzmethode
• Aufbau und Funktionsprinzip eines Stickoxid (NOx)-Gasanalysators
• Reduzierung von Einflussfaktoren auf die Messung
• Vergleich mit der nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsmethode (NDIR)
• Messung von Ammoniak (NH₃)-Gas
• Verwandte Produkte

Chemilumineszenz ist ein Phänomen, bei dem durch eine chemische Reaktion angeregte Moleküle bei der Rückkehr in ihren Grundzustand Anregungsenergie in Form von Licht abgeben.

Wenn z.B. Stickstoffmonoxid (NO) mit Ozon (O₃) reagiert und oxidiert wird, geht NO in Stickstoffdioxid (NO₂) über. Das resultierende NO₂befördert sich mit einer festen Rate in einen angeregten Zustand (NO₂) und emittiert mit einer bestimmten Wellenlänge, wenn es in den Grundzustand von NO₂zurückkehrt. (Gleichung 1)

Gleichung 1: Chemilumineszenz mit chemischer Reaktion

Dieses Prinzip wird für die kontinuierliche Konzentrationsmessung von Stickoxiden (NOx: NO + NO₂), NO, NO₂und Ammoniak (NH₃) in Messgasen verwendet.

Bei einem Gasanalysator nach der Chemilumineszenz-Methode strömen das Messgas und O₃in eine Reaktionszelle und das von NO₂ emittierte Licht* verursacht durch die Reaktion (Gleichung 1) zwischen NO im Messgas und O₃, die durch den optischen Filter übertragen wird, wird mit einem Fotodetektor zur Messung der NO-Konzentration detektiert. (Abbildung 1)

Abbildung 1: Aufbau und Funktionsweise eines Gasanalysators nach der Chemilumineszenz-Methode.

In diesem Abschnitt werden die Funktionsprinzipien der Chemilumineszenzmethode erläutert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Ablauf chemischer Reaktionen in der Reaktionszelle zur Messung der NO-Konzentration im Probengas als Beispiel.

Das Messgas und O₃strömen in die Reaktionszelle und werden vermischt. (Abbildung 2-1)

Ein Teil der Gaskomponenten im oxidierten Probengas emittiert Licht einer für jede Gaskomponente spezifischen Wellenlänge, die der Gaskonzentration durch die in Gleichung 1 dargestellte chemische Reaktion entspricht. (Abbildung 2-2)
Der optische Filter wählt durch Chemilumineszenz Licht für die gemessene Komponente (NO) aus, das in den Fotodetektor eintritt und erkannt wird. Die NO-Konzentration der gemessenen Komponente im Probengas kann mit dem verarbeiteten Fotodetektorsignal kontinuierlich gemessen werden.

Nach der Emission von Licht befindet sich das gesamte NO im Messgas im Grundzustand als NO2 (Abbildung 2-3)
Bei der Chemilumineszenzmethode muss O₃in einer ausreichenden Konzentration mit einer geeigneten Durchflussrate zugeführt werden, um NO vollständig an die gemessene Komponente zu oxidieren.

Abbildungen 2-1, 2-2 und 2-3 Funktionsprinzip eines NO-Gasanalysators unter Verwendung der Chemilumineszenzmethode.

HORIBA bietet Gasanalysatoren an, die die Chemilumineszenz-Methode zur kontinuierlichen Messung der Konzentrationen von Stickoxiden (NOx: NO + NO₂), NO, NO₂ und Ammoniak (NH₃), bei denen es sich um Schadstoffe in der Umgebungsluft und im Abgas handelt. In diesem Abschnitt werden der Aufbau und die Funktionsweise des Analysators erläutert, der kontinuierlich NOx, NO, NO₂ in der Umgebungsluft misst.

Aufbau und Funktionsprinzip eines Stickoxid (NOx)-Gasanalysators

Die Gesamtstruktur des Analysators ist in Abbildung 3 dargestellt. NO₂ emittiert nach dem Chemilumineszenzverfahren kein Licht, so dass NO₂ im Messgas durch einen Konverter unter Verwendung eines Katalysators zur Messung in NO umgewandelt wird. (Abbildung 3)

Zeile A: für NOx-Messung Zeile B: für NO-Messung Zeile C: für Nullpunktvergleich (*)
Die Zeilenumschaltreihenfolge ist A, B, C und so weiter.

Abbildung 3: NOx-Analysator mit Chemilumineszenz-Methode (3-Komponenten-Analysator für NOx, NO₂ und NO)

Die NOx- (NO + NO₂) und NO-Konzentrationen werden gemessen, indem das Gas abwechselnd durch einen Konverter (Leitung A) und das Messgas (Leitung B) in die Reaktionszelle strömen, indem Leitungen mit Magnetventilen. NO₂ wird aus der Differenz zwischen diesen beiden Konzentrationen berechnet. (Abbildung 3, Zeilen A und B)

Um langfristig stabile und zuverlässige Messungen zu gewährleisten, wird in regelmäßigen Abständen ein Nullpunkt-Vergleichsgas mit NO-freiem Inhalt in die Reaktionszelle geleitet und der Nullpunkt ständig überwacht, um die Nullpunktdrift zu verringern (*). Das Nullpunkt-Vergleichsgas verwendet ein Abgas ohne NO aus der Reaktorzelle, sodass für diese Gaserzeugung keine spezielle Ausrüstung erforderlich ist.

Darüber hinaus werden diese Gase in dieselbe Reaktionszelle geleitet und durch die Schaltfunktion des Magnetventils mit demselben Fotodetektor erkannt. Dies bedeutet, dass sich Änderungen der Empfindlichkeit der Reaktionszelle und des Fotodetektors im Laufe der Zeit usw. gleichermaßen auf die Erkennung dieser Gase auswirken, wodurch der Unterschied in der NO- und NOx-Empfindlichkeit letztendlich minimiert wird.

*) Bei der Nullpunktdrift handelt es sich um eine allmähliche Verschiebung des Nullpunkts eines Analysators in eine Richtung aufgrund von Temperatur, Alterung oder anderen Faktoren. Die Überwachung einer Abweichung des Nullpunkts mit Nullpunktvergleichsgas kann den Einfluss der Nullpunktdrift verringern.

Die Chemilumineszenzmethode wird durch die Lumineszenz anderer Gase als der gemessenen Komponente und die Abschreckung durch Feuchtigkeit oder Kohlendioxid (CO₂) im Messgas. Maßnahmen zur Reduzierung dieser Einflüsse sind wie folgt.

Reduzierung der Einflüsse der Chemilumineszenz durch andere Gaskomponenten

Wenn ein Messgas Gasbestandteile wie H₂S enthält, die durch Chemilumineszenz mit O₃wird ein optischer Filter verwendet, um nur spezifisches Wellenlängenlicht der Chemilumineszenz durch NO mit O₃ zu übertragen, wodurch der Einfluss anderer Gase auf die Chemilumineszenz verringert wird. (Abbildung 1)

Reduzierung von Feuchtigkeit und CO₂-Löscheinflüssen

Wenn Feuchtigkeit im Messgas enthalten ist oder O₃, NO₂ in der Reaktionszelle angeregt wird, kollidiert mit Feuchtigkeit und verliert die Anregungsenergie von NO, es tritt ein Phänomen auf, das als Quenching bezeichnet wird und die Messung beeinflusst. Feuchtigkeit und CO₂ führen in der Regel zum Abschrecken. Wenn das Messgas oder O₃eine große Menge an Feuchtigkeit enthält, wird ein Luftentfeuchter verwendet, um diese zu entfernen. Liegt eine hohe Konzentration von CO₂ im Messgas vor, wird das Messgas verdünnt und in den Analysator eingeströmt, um den Löscheinfluss zu verringern.

HORIBA verwendet entweder die Chemilumineszenzmethode oder die nichtdispersive Infrarotabsorptionsmethode (NDIR) als Messmethode des Analysators zur Messung von NOx, NO und NO₂. HORIBA bietet optimale Analysatoren, um den spezifischen Anforderungen und Betriebsbedingungen gerecht zu werden, wobei die besonderen Eigenschaften jeder Analysemethode genutzt werden. In diesem Abschnitt werden die Funktionen beider Methoden zusammengefasst. (Tabelle 1)

Klicken Sie hier, um weitere Informationen zur nichtdispersiven Infrarotabsorption (NDIR) zu erhalten.

Diese Tabelle ist ein Vergleich unserer Produkte.

Tabelle 1: Vergleich von Chemilumineszenz- und nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsmethoden (NOx, NO und NO₂)

Messung von Ammoniakgas (NH₃)