Környezeti méréstechnika
AZ ANALITIKAI MÓDSZER JELLEMZÕI Egy analitikai módszer alkalmasságát, ill teljesítőképességét jellemző paraméterek: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
• Torzítás („valódiság”) • Pontosság (reprodukálhatóság) • Szelektivitás • Érzékenység • Sebesség (v. mintaszám) A fentiek alapvető jellemzők, de egyéb faktorok, mint ár, készülék, v. kiképzett személyzet szintén fontos lehet
Az analitikai módszerek lépései ¾
• Mintavétel
¾
• Laboratóriumi minta előkészítése
¾
• Kalibrálás és mérés
¾
• Eredmények számítása
¾
• Eredmények értékelése és megbízhatóságának becslése
Miért mérünk? ¾ - állapotfelmérés: adott időközönként, hogy a változásokat nyomon tudjunk követni (Monitorizálás) - szennyezők kibocsátásának ellenőrzése, eloszlás folyamata és mértéke ¾ - van-e az anyagban a természetre káros komponens ¾ - háttér, regionális vagy lokális szennyeződésről van szó Mit mérünk? ¾ - ismert anyagot illetve komponenst ¾ - ismeretlen anyagban jól ismert anyagot ¾ - ismeretlen anyagban ismeretlen komponenst Milyen mintavétel szükséges? ¾ - bolygatott (talaj, víz) ¾ - bolygatatlan (gáz) ¾ - pont vagy átlagminta szükségessége Milyen a helyszín, pl. levegő, víz ? - munkahely (zárt) ¾ - lakott terület ¾ - folyó vagy tó ¾
Mintavételkor felmerülő problémák A mérési eredmény megbízhatóságát leginkább a mintavétel befolyásolja!!! • Rossz mintavételi terv • Helytelen mintatárolás • Hibás feliratozás Enzimatikus inaktiválás ha enzim bontja az analizálandó komponenst hőkezelés Mikrobiológiai aktivitás
mélyfagyasztás (csökkenti az enzimaktivitást)
megváltoztatja az összetevők kémiai szerkezetét fagyasztás, szárítás, kémiai tartósítás Ha a mintavétel nem helyes, bármennyire nagy pontosságú és torzításmentes is a módszerünk, az eredmény használhatatlan!
Mit lehet szennyezni?
Térfogatos analízis (titrimetria) Titráláson alapuló analitikai eljárás. Titrálás:
HCl + NaOH = H2O + NaCl
Ismert koncentrációjú mérőoldat reakcióba lép az ismeretlen koncentrációjú NaOH minta vizsgálandó komponensével. mérőoldat metilnarancs indikátor A
reakció gyors
99%-ban lezajlik HCl minta
Egyértelműen jelezhető
1 csepp NaOH feleslegre átcsapott
A minta erős sav (0,1 mól/dm3 HCl), ezt 0,1 mól/dm3 NaOH mérőoldattal mérjük.
Térfogatos analízis (titrimetria) felhasználása Víz keménységének (Ca2+; Mg 2+ ) meghatározására összkeménység: Ca2+; Mg 2+ összesmennyisége CaO2változó keménység:
Víz oldott oxigéntartalmának meghatározására (MnSO4) Víz szervesanyag-tartalmának meghatározására - 3 módszer 1. BOI - biológiai oxigén igény 2. KOI - kémiai oxigén igény
3. Víz TOC (Total Organic Carbon) – teljes szerves szén tartalom meghatározása Szerves szén: Összes szén - szervetlen szén
1. Összes szén tartalom meghatározása: A mintát a készülék oxigén áramába juttatják, ott elég (680-900 °C), a keletkezett CO2-t infravörös detektorral mérik. 2. Szervetlen szén tartalom meghatározása – mintát savval elroncsolják, a szerves szén elroncsolódik, a szervetlen szén megmarad.
Műszeres Analitikai módszerek 1. Optikai módszerek 2. Elválasztási technikán alapuló módszerek Szabad atomok vegyértékelektronjai is képesek energiát elnyelni
Abszorpció (gerjesztett állapot) emisszió Alapállapotba visszakerül
Az atomok szerkezete
Műszeres Analitikai módszerek 1. Optikai módszerek
Szabad atomok vegyértékelektronjai is képesek energiát elnyelni
Abszorpció (gerjesztett állapot) emisszió Alapállapotba visszakerül
Az elektromágneses spektrum
Gamma sugárzás
•Ibolya: 400 - 420 nm •Indigókék: 420 - 440 nm •Kék: 440 - 490 nm
Röntgen sugárzás Ultraibolya
•Zöld: 490 - 570 nm
Látható fény Infravörös
Mikrohullámok
Rádió hullámok
•Sárga: 570 - 585 nm •Narancs: 585 - 620 nm •Vörös: 620 - 780 nm
A kémiai elemek atomjaiban az elektronok jól meghatározott energiájú állapotban vannak. Az elektronok csak bizonyos energiaszinteken létezhetnek. Egy adott energiaszintről az elektron csak úgy kerülhet valamelyik magasabb szintre, hogy a különbségnek megfelelő energiát felveszi fény (foton) formájában vagy hőátadással. Ez a folyamat a gerjesztés. ¾ Az elektronok igyekeznek a lehető legkisebb energiájú szintre kerülni, ezért a gerjesztés után az energiaszinteknek megfelelő különbség kisugárzása közben visszakerülnek egy alacsonyabb energiaszintre. A kisugárzott energia foton formájában is távozhat az atomból. Ha a foton hullámhossza a látható fény tartományába esik, a szemlélő az adott atomra jellemző színeket vesz észre. ¾ A fémek egy részének atomjait a látható fény fotonjai gerjesztik, így az instabil magasabb energiaszintről visszaérkezve az atomok a látható fény tartományában sugároznak. ¾ Mivel a gerjesztés nyomán kisugárzott foton hullámhossza jellemző az adott fémre, ezért ezt a módszert kimutatásra (minőségi analízis) is lehet alkalmazni. ¾
Lángfotometria ¾ ¾
Emmisziós színképelemzési módszer, amely során a vizsgált anyag gerjesztése gázlánggal történik. A gerjesztett anyag (molekula, ion) által kibocsátott fény hullámhossza az molekula szerkezetével, a kibocsátott fény intenzitása a molekula koncentrációjával arányos.
Lángfotometria
Atomabszorpciós spektroszkópia elmélete A vizsgálatokhoz gázfázisú és szabad (nem molekulárisan kötött) atomokra van szükség. A szabad atomokat elektromágneses sugárzással besugározzuk (megvilágítjuk) A megvilágító „fényből” elnyelik azokat a hullámhosszakat, amelyek az adott atom egy-egy elektronátmenetének megfelelő energiájú.
nedv.aeroszol szárazaeroszol NaCl(folyadék → NaCl → NaCl → NaCl( g ) → Na( g ) + Cl( g ) aq ) ( aq ) (s)
Azért nem mindegy…
Fp
Atomspektroszkópia elmélete (abszorpció) A vizsgálatokhoz gázfázisú és szabad (nem molekulárisan kötött) atomokra van szükség. A szabad atomokat elektromágneses sugárzással besugározzuk (megvilágítjuk) A megvilágító „fényből” elnyelik azokat a hullámhosszakat, amelyek az adott atom egy-egy elektronátmenetének megfelelő energiájú.
nedv.aeroszol szárazaeroszol NaCl(folyadék → NaCl → NaCl → NaCl( g ) → Na( g ) + Cl( g ) aq ) ( aq ) (s)
Láng-atomabszorpciós égő és vájt katód lámpa
Grafitkemencés atomizálás
ICP – idukciós plazmaégő: a minta ARGON jelenlétében atomizálódik – nem ég el!!!!
Fotométerek – abszorpciós elv
Fotométerek
UV-VIS spektrofotométer UV-VIS spektrofotométer: küvettatartó
Használják a víz nitrit ion (NO2-) tartalmának meghatározására
Műszeres Analitikai módszerek 1. Optikai módszerek 2. Elválasztási technikán alapuló módszerek
Kromatográfia •Elválasztástechnikai művelet, melynek során egy keverék alkotóit fizikailag elkülönítik.
Oszlop, kolonna
Álló fázis: Oszlop belső felületén Mozgó fázis
Kromatográfia alapjai Az egyes komponensek fajlagos kötődése a szorbensréteghez nem azonos, ezért az ún. futtatás során az állófázishoz jobban kötődő komponensek „lemaradnak”.
Kromatográfia alapjai Az eluálódó komponens detektálása nyomán keletkezik az ún. kromatogram
Kromatogram A kromatogram: a kolonnáról eluálódó komponensek detektorjelének időfüggvénye. A kromatográfiás futtatás kezdetétől a komponens eluálódásáig eltelt időt retenciós (visszatartási) időnek nevezzük. A retenciós idő, a komponens anyagi minőségét jellemzi, míg a csúcs alatti terület a mennyiséggel van összefüggésben.
Tret
Kromatográfiák csoportosítása A csoportosítás elvégezhető: 1.
Állófázis geometriája szerint: -planáris- (pl.: vékonyréteg) és -oszlopkromatográfia
2.
Mozgófázis halmazállapota szerint: -folyadékkromatográfia (liquid chromatography, LC) -gázkromatográfia (gas chromatography, GC)
Gázkromatográfia technikai megvalósítása Mintabevitel az áramló gázba történik, pillanatszerű elpárologtatással.
Temperált kolonnatér
Folyadékkromatográfia technikai megvalósítása • •
A mintamennyiséget (1-100 ul) folyadékáramba juttatjuk (injektáljuk). Az eluenst pumpa áramoltatja.
Nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia High Performance Liquid Chromatography (HPLC) Jellemzők: ¾
¾ ¾
A mobilfázis és az állófázis (különböző kromatográfiás elméletek alapján optimalizálható) nagy felületen találkozik, így egységnyi oszlophosszon több komponens választható el, azaz a kromatográfia hatékony. Ez apró szemcsékkel tömören töltött oszlopokkal valósítható meg. Ilyen oszlopok esetén, az eluenst nagy nyomással (100-200 bar) lehet az oszlopon (a töltet szemcséi között) átpréselni.
HPLC - Kolonna
Levegőminőség vizsgálatok A levegőminőség vizsgálatoknak 3 fő alapterülete van: ¾
Levegőszennyezés vizsgálat - Emisszió mérés: A kibocsátás közvetlen mérése, mielőtt a szennyezés elhagyná a szennyezőforrást (kéményt)
¾
Levegőszennyezettség vizsgálat - Immisszió mérés: Levegő minőség meghatározása, háttér és közlekedési szennyezettség vizsgálata
¾
Levegőszennyeződés vizsgálat - Transzmisszió számítások, vizsgálatok: Levegőszennyező anyagok terjedésének modellezése, számítása, kis részben mérése.
Általában a tüzelőberendezések üzemeltetőinek a szilárdanyag, szén-monoxid, nitrogén-oxidok és kéndioxidok kibocsátásokról kell megbízható adatokat szolgáltatniuk.
¾
¾
A kibocsátásokat kg/h értékben kell megadni, a gázalkotók mennyiségét mg/kg-ban adjuk meg. A mérési elv – módszer kiválasztásánál, elsősorban az emisszió mérések kategóriájában, két nagy területről beszélhetünk: mintavételes – és „in situ” mérésről. Az „in situ”, a mintavétel nélküli, közvetlen mérés módszere.
Emisszió A kibocsátás más néven emisszió meghatározása történhet méréssel, illetve műszaki számítással. Ugyan az emisszió, mint fogalom főleg a levegőtisztaság-védelem területén terjedt el, de érdemes kiterjeszteni vízszennyezésre, zajszennyezésre is. Az emissziómérés lehet gáz és szilárdanyag meghatározása. A gázanalízisnél egy, két vagy több komponensből álló gáz (mérendő gáz) összetételét kell meghatározni. A gyakorlatban általában elégséges a keverék egyik komponense (mérendő komponens) koncentrációját meghatározni. Folyamatos gázanalizáláshoz vagy tisztán fizikai, illetve fizikai-kémiai, vagy pedig elektrokémiai eljárásokat használnak, amelyeknél a mérendő komponens koncentrációja elektromos mennyiséggé – általában egyenfeszültséggé vagy egyenárammá – van átalakítva. Tekintettel arra, hogy a gázemisszió mértéke a térfogatáram és a szennyező anyag koncentrációértékének szorzata, a méréshez a térfogatáramot minden esetben meg kell határozni.
¾
Légszennyező anyagok mennyiségének mérésére szolgáló berendezések
Gázemissziót mérni lehet: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
¾ ¾
Hővezetés elvén működő gázanalizátorok Paramágneses elven működő gázanalizátorok Infravörös elven működő gázanalizátorok Ultraibolya sugárzás elve alapján működő gázanalizátorok Kemilumineszcencia elvén működő gázelemzők (lumineszkáló fény) Az egyes gázok más anyagokkal alacsony hőmérsékleten reakciójuk során lumineszkáló fényt bocsátanak ki. A fény intenzitása a gázalkotó mennyiségével összefüggésbe hozható. Elektrokémiai elven működő gázelemzők (galváncellára épülő gázelemző) Villamos vezetőképesség elvén működő gázelemzők
Lidar (light detection and ranging)
Kémiai szenzorok olyan eszközök amelyek a kémiai információt analitikai jellé alakítják. Adott vegyi anyag koncentrációjának megváltozására elektromos jelváltozással reagálnak.
Levegő portartalma ¾
A pormintavételezésre különböző szabványok léteznek. (MSZ ISO 9096, VDI 2066)
A pormintavétel portartalmának a meghatározása gravimetrikusan történik. A mintavétel előtt is és után is le kell mérlegelni a kiszárított szűrőket, és az így kapott különbség adja a mintavétel során felfogott por tömegét. Ezeknek a lemérése általában laboratóriumban történik.
KS-404 automatizált emissziós pormintavevő mérőkőr
Az automatizált emissziós pormintavétel összeállítási rajza
Gravimetria (tömeg szerinti analízis) A meghatározandó iont kémiai vagy elektrokémiai reakció segítségével olyan kis oldékonyságú vegyületté alakítjuk, hogy az szűréssel vagy centrifugálással az oldattól elválasztható legyen.
csapadék A csapadékot szárítással tömegállandóvá tesszük, majd tömegét megmérjük. A csapadék tömegéből a csapadék összetételének ismeretében kiszámítható a reakció során leválasztott komponens koncentrációja a kiindulási oldatban.
HÁTRÁNY:
Lassú, időigényes Fáradtságos
ELŐNY:
Komponens vagy vegyületének közvetlen mérése Azonosság, tisztaság könnyen ellenőrizhető A tömegmérés az egyik legpontosabb módszer
