第3章有毒有害气体的检测仪表.ppt

第3章有毒有害气体的检测仪表,矿井有害气体:主要有一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)、氧化氮(NOx)、二氧化硫(SO2)、氨气(NH3)、氢气(H2)等。卫生标准：CO(24PPM)、NOx(2.5PPM)SO2(5PPM)、H2S(6.6PPM),气体检测原理分类,第3章有毒有害气体的检测仪表,3.1一氧化碳的检测,一、CO的产生及危害性质：CO是无色、无嗅、无味、无刺激性的气体，稍溶于水(0.03%)，比重较空气稍轻。产生：CO是碳系物质不完全燃烧的生成物，井下爆破作业、内燃机车的排气、火灾、瓦斯煤尘爆炸均产生CO危害：可燃易爆，剧毒。允许浓度，中国是24PPM，日本是50PPM；检测方法：检知管法、电化学原理、红外吸收法、气相色谱分析,二、检知管法测定CO,1、基本原理：CO气体缓慢而稳定的流过检知管时，与管中试剂发生化学反应，呈现一定的颜色(比色式)或变色长度(比长式)，通过对比测知CO浓度。,DQJ-50多种气体检定器,2、比长式检知管的构造,1检测管外壳（中性玻璃管）2堵塞物（棉栓、玻璃丝布、耐酸涤纶等）3保护胶（硅胶吸附试剂以除去干扰气体）4隔离层（有色玻璃粉等惰性有色颗粒物质）5指示剂（活性硅胶吸附化学试剂）,1档位；2采样器；3检测管；4指示剂,3、比长式检知管的检测原理,检测剂：以活性硅胶为载体，吸附五氧化二碘和发烟硫酸加工而成。检测剂与CO反应后由白色变成棕黄色圈，随着气流通过棕色环向前移动，其移动距离与CO浓度大小成正比。反应方程式：,注意：检知管受气样流量、温度、反应时间及其它气体干扰的影响：,A、检知超过保存期或变色后不能使用B、使用温度1040C、50ml气体要在90S(国产)内等速吸入D、CO浓度低于5PPM时,可反复吸气测量E、含有烟雾及重烷气体的气样对检知管指示值有影响,采样与送气a、送气采样法b、抽气采样法要求：采样准确；流速均匀；时间规定读数变色环界线有凹面、虚影、倾斜等情况时，取其中间值低浓度气体的测定增加送气次数后的测定值检定管读数/送气次数高浓度气体的测定a、稀释法b、缩小送气量和送气时间法,4、比长式检知管的使用,三、电化学原理测定CO,1、电化学气体传感器原理电化学气体传感器：据电化学原理制成的检测气体的装置电化学是研究电解质溶液与电极相界间的电化学反应过程，即化学能和电能之间相互转换的科学。电化学理论指出，在电极和它接触的电解质溶液之间存在着氧化还原反应，并有电子的得失。并且各种物质在电解质溶液中的氧化还原反应均在一定的电极电位下进行。某物质的标准电极电位是指该物质在规定的浓度、温度条件下的电极电位，当电极电位高于该标准电极电位时产生氧化反应，反之，则产生还原反应。因此，该物质的标准电极电位也称为可逆电极电位。如：CO2/CO氧化还原对的可逆电极电位为-0.12V;O2,H+/H2O氧化还原对的可逆电极电位为+1.23V,气体扩散电极（透气膜电极）防水透气膜:PTFE活性层：铂黑PTFE乳液含有催化剂的多孔膜电极，易于被测气体与电解液在气、固、液三相界面上进行氧化还原反应。透气膜非均相微孔膜，透气但不透水和离子。空隙率大则灵敏度高，响应时间短，但易漏液电解液：硫酸或硫酸水溶液,2、定电位CO传感器的构造及原理,工作电极W对面电极C参比电极R,2、定电位CO传感器的构造及原理,被测量一氧化碳，通过聚四氟乙烯薄膜扩散到工作电极W，电极W受到恒电位的控制作用，具有一个恒定的电位，一氧化碳在W电极上在催化剂的作用下与电解液中的水发生氧化反应，生成二氧化碳和氢质子，同时释放出电子；,在对电极C上,氧在催化剂作用下与氢质子发生还原反应生成水，并得到电子。,W极：,C极：,2、定电位CO传感器的构造及原理,1-电源2-恒位环节3-传感器4-放大器5-温度补偿6-指示电表,式中：D-膜扩散系数；F-法拉第常数；A-扩散面积；H-膜厚度；n电子转移数,参比电极：使W和R间保持恒定电位。W和C间的反应电流为I,3、产品介绍,CT1000X型CO检测报警仪,测量范围：02000ppm误差：10%真值报警范围：0300ppm连续可调响应时间：60秒传感器寿命：3年（进口电化学）报警出厂设定：241ppm,法国TX2000型CO检测仪,测量：连续测量范围：0-500/0-2000两种可供选择传感器：电化学式显示：3位半液晶显示，带背景灯报警：5种声光报警/2个瞬时报警点/超量程报警供电电源：3节LR011.5V干电池工作时间：1000小时,3、产品介绍,四、红外线吸收式CO检测仪,1、基本原理两个以上不同原子结合成的气体分子，具有一种永久性的偶极矩，可以直接通过电磁光谱形成振动和旋转，并产生量子能量即在振动和旋转光谱的谱线范围内，产生光谱的吸收。多原子气体分子对特定波长的红外线有吸收能力，其吸收波长取决于构成分子的原子种类、原子核质量、结合强弱等。CO的典型吸收波长是4.66m，吸收程度服从朗伯比尔辐射衰减定律：,I0入射红外线强度I透射红外线强度K吸收系数C气体浓度L气室长度,可见，入射光强度和气室长度一定时，在一定气体浓度范围内，透射光强度与气体浓度成反比。,2、红外线吸收式气体分析仪的结构分光型：将入射光分成各种波长的单色光，然后取用所需波长的单色光。随着激光技术的发展，出现了激光红外气体分析仪。不分光型：用气体滤波器或滤光片来选择所需波长的单色光不分光型双光路分析器,（1）检测器（电容微音器）：两侧接收室内封高浓度co气体，检测红外能量变化，致使膜片振动而导致电容量呈周期性变化，输出电信号。（2）气体滤波室：消除干扰气体的影响。（3）切光片：低频调制红外光线，提高分辨率。（4）工作气室：（5）参比气室：,红外线吸收式CO传感器测量精度高、稳定性和选择性好，但是结构复杂、体积大、成本高。,四、气相色谱法（GasChromatography）,1、色谱法基本原理俄国植物学家MikhailS.sweett于1901年创立的一种分离技术，又称层析法。根据其分离原理，有吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱与排阻色谱等方法。分配色谱是利用混合物中被分离物质在两相中分配系数不同，以使组分分离。其中一相为固体或液体涂布在固体载体上，称为固定相；另一相为气体或液体，称流动相。分配色谱按流动相的不同分为气相色谱和液相色谱(LC)。GC是以气体作为流动相，利用试样各组分在气相和固定相间的分配系数不同，当试样被载气带入色谱柱中运行时，组分就在其中的两相间进行反复多次（103-106）的分配（吸附脱附）从而致使各组份在色谱柱中的运行速度不同，经过一定的柱长后，便彼此分离，顺序离开色谱柱进入检测器，信号经放大后，在记录器上描绘出各组分的色谱峰。根据色谱上出现的物质成分的峰面积或峰高进行定量分析。,2、气相色谱仪的基本配置和构成,气相色谱仪是气相色谱法为基础而设计的仪器，气相色谱是以气相色谱柱为分离基础，样品进入进样器后载气传送，到达色谱柱的分离，分离后样品由柱中流出后到达检测器并给出相应的电讯号，然后排空。故气相色谱仪整体系由以下方面组成：1)气源2)气源控制3)进样器4)色谱柱5)检测器6)信号放大电部件7)二次仪表其中进样器、色谱柱、检测器组成气相色谱仪，并需专门温度控制。,1-载气钢瓶2-减压阀3-净化干燥管4-针形阀5-流量计6-压力表7-进样器8-色谱柱9-检测器10-放大器11-温控器12-记录仪,2、气相色谱仪的基本配置和构成,色谱柱：主要作用是起到样品分离作用，是整个色谱仪的心脏部分。（a）色谱柱可分成充填柱和毛细管柱两大类，充填柱较粗，一般16毫米，柱长0.510米；毛细管柱直径一般0.20.5毫米，柱长1050米，甚至100米。（b）色谱柱的形状主要是U形和各种螺旋形，其材料很多，常用的有玻璃、不锈钢，塑料等。（c）色谱柱选择：一般根据样品的污染度，组份的多少，组份的极性，以及沸点来选择。载气：其作用是在样品注入色谱仪后由载气把样品组份带进色谱柱，以及保护色谱柱等，因载气起传输样品和保护柱子的作用，故在色谱仪使用中必须达到99.99%以上，如使用低纯度的载气那将会因载气不纯而导致出现多余的色谱峰、污染柱子和检测器。常用的载气有氮气、氢气、氦气、氩气等。气源控制：主要起到稳定和调节气压的作用，从而使样品能稳定的传输。进样器：进入样品以后汽化并用载气直接传入色谱柱，故必须要在一定的稳定温度下工作。我们在选择进样器温度时，一般选择比某样品中组份沸点的最高的温度再高20-30左右，但不能高于样品的分解温度和仪器最高使用温度。,2、气相色谱仪的基本配置和构成,色谱柱(分离柱),色谱柱:色谱仪的核心部件。柱材质:不锈钢管或玻璃，内径3-6毫米。长度可根据需要确定。柱填料:粒度为60-80或80-100目的色谱固定相。,检测器：其作用是将色谱柱分离后的物质浓度或质量的变化转换为电信号，并由记录仪记录下来，作为色谱分析的数据。常用的检测有：FID、TCD、FPD、ECD、NPD等。FID（氢火焰离子检测器）：氢气在电极间隙间燃烧生成火焰，当样品组分流经此电极间隙被火焰电离成离子，生成比基流高几个数量级的离子流，且离子流与样品组分的含量成正比。TCD（热导检测器）：是根据组分和载气有不同的导热系数研制而成的。组分通过热导池且浓度有变化时，就会从热敏元件上带走不同热量，从而引起热敏元件阻值变化，此变化可用电桥来测量。ECD（电子俘获检测器）：利用镍源发生射线轰击物质组分，使物质离子逃逸再被检测，是分析痕量电负性化合物最有效的检测器，也是放射性离子化检测器中应用最广的一种，被广泛用于生物、医药、环保、金属鳌合物及气象追踪等领域。FPD（火焰光度检测器）：是分析S、P化合物的高灵敏度、高选择性的气相色谱检测器，广泛用于环境、食品中S、P农药残留物的检测。当含S、P的化合物在富氢焰中燃烧时，伴有化学发光效应，分别发射出（350-480）nm和(480-600)nm的一系列特征波长光，其中394nm和526nm分别为含S和含P化合物的特征波长。光信号经滤波、放大，便可得到相应的谱峰。NPD（氮磷检测器）：FPD一直是S和P化合物的专用检测器，由于NPD检测对P的灵敏度高于FPD，而且更可靠，因此FPD现今多只作为S化合物的专用检测器。,2、气相色谱仪的基本配置和构成,应用举例,1、定量分析：色谱峰的测量:以峰的起点和终点的联线作为峰底，从峰顶至峰底间的线段即为峰高。从峰高极大值对时间铀作垂线，对应的时间即为保留时间。计算:由色谱峰量出各组分的峰高，然后在各自的校准曲线上查出相应的待测物浓度。2、定性结果：根据标准谱图各组分的保留时间确定被测试样中出现的组分数目和组分名称。,苯系物气相色谱图,3.2氧气检测仪表,正常的氧气含量应当在20.9%左右。富氧：氧气含量超过23.5%，即氧气过量，此时很容易发生爆炸的危险；缺氧：氧气含量低于19.5%，即氧气不足，此时很容易发生窒息、昏迷以至死亡的危险。检测氧气含量的普遍方法：伽伐尼电池法、顺磁测氧法,一、顺磁测氧法,1、顺磁测氧原理顺磁性气体和反磁性气体：反磁性是指当施加磁场时，气体与磁场相斥而逃逸的性质；反之，为顺磁性。大多数气体为反磁性，只有O2、NO1、NO2等少数气体呈顺磁性。氧的磁化率比其它气体大得多，含氧混合气体的磁化率主要由氧的浓度决定。氧的热磁效应：即氧的磁化率会随温度的升高而迅速降低。,环型室永久磁铁电阻线圈r1电阻线圈r2r1、r2、R1、R2构成测量电桥,氧气温度升高，磁化率随之降低；而后面连续流过来的冷气体温度低而磁化率高，被不断吸入连通管，所以把原先已被加热的气体向通道右面推出，形成热磁对流即磁风，磁风的强弱取决于气体中氧含量的多少。连通管左侧电阻附近的热量不断被引入的气体带走，温度降低，降低的程度取决于磁风的大小。连通管右侧的电阻，由于气体在前面已被加热，所以不会受到冷却的作用，甚至温度还有所上升。,2、热磁效应测氧传感器,混合气体不含氧时，连通管两侧压力平衡，电桥平衡。混合气体含氧时，气体被磁场吸入连通管，并被加热。,二、伽伐尼电池测氧法（Galvani）,1、隔膜伽伐尼电池原理电池阴极：由铂金(Pt)或金(Au)制成。电池阳极：由铅(Pb)、锌(Zn)或镉板制作。电解液：氢氧化钾(KOH)、NaOH等，由PTFE隔膜封闭。检测时，氧气经隔膜进入电解液，在阴极上产生还原反应。,1-阳极2-绝缘材料3-电解液4-阴极5-隔膜,氢氧根离子(OH)进入阳极后，与阳极Pb或Zn产生氧化反应，其反应方程式为：,1、隔膜伽伐尼电池原理,电液池内产生离子电流，其大小与溶氧量成一定比例。,3.3其它气体检测,一、氮氧化物气体检测二、二氧化硫气体检测三、硫化氢气体检测,一、氮氧化物气体检测,氮氧化物(NOx)：包括NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等多种形式，空气中的主要是NO和NO2。NO无色、无臭，分子量为30.01，对空气的比重1.0367，熔点-163.6，沸点-151.8，在标准状态下1升气体重1.3403g，稍溶于水。NO2红褐色、特殊刺激臭味，分子量为46.01，对空气比重1.58，沸点21.2，熔点-10.8，在标准状况下1升气体重2.0565g，具有腐蚀性和较强的氧化性，易溶于水。NO、NO2的来源：工业生产和化石燃料燃烧，汽车尾气等。NO是形成光化学烟雾的触发分子，是二次污染物的前身。二氧化氮比一氧化氮的毒性高四倍。氮氧化物的连续自动测定方法主要有化学发光法和库仑原电池法等。,1、化学发光法检测氮氧化物气体,（1）原理：气样中的一氧化氮与臭氧(O3)接触时，反应生成激发态和基态的二氧化氮(其比例约为92:8)。激发态的二氧化氮跃迁到较低状态或基态时，发出波长范围为6003000nm的连续光谱，峰值波长1200nm。在臭氧过量的情况下，其发光强度与气样中一氧化氮的浓度成正比。,1-流量计2-三通阀3-转化器4-抽气泵5-O3发生器6-反应室7-光电倍增管8-放大器9-指示仪表10-稳压电源11-放大器电源,（2）特点：灵敏度高、选择性强、响应速度快。监测大气氮氧化物的标准方法，在大气连续自动监测系统中也得到普遍采用。,2、库仑原电池法检测氮氧化物气体,库仑原电池1是一个电解池，电解液为PH7的0.1M磷酸盐缓冲液中含0.3M碘化钾溶液。铂网阴极2和活性炭阳极3。待测空气经选择性过滤器滤除干扰物后，抽入电解池，并使电解液经过阴极而连续循环流动。如果空气中含有二氧化氮(空气中的一氧化氮在经过三氧化铬石英砂氧化管时，氧化成二氧化氮)，则与电解池中碘离子反应，生成碘分子：,析出的碘分子随电解液带到铂网阴极时，立即在铂网阴极上被电化还原，吸收两个电子变成碘离子：,同时活性炭阳极也有电化氧化作用，在反应中释放出两个电子：,原电池的回路中就产生微弱的电流。,1-库仑池,2-阴极铂网,3-阳极活性炭,4-放大器,5-电表,6-记录器,二、二氧化硫检测,二氧化硫(SO2)又称亚硫酸酐，分子量64.06，是无色具有强烈刺激性气体，沸点-10，熔点-76.1，对空气比重22.6，二氧化硫极易溶于水形成亚硫酸，标准状况下1升气体重2.927g。二氧化硫是大气中最常见的，而且是最主要的污染物。家庭和工矿企业用煤及燃料油中含硫物的燃烧，含硫矿石的冶炼，化工厂(如硫酸厂)生产过程的产物，极易造成二氧化硫的污染。二氧化硫的测定方法主要有钍试剂比色法、自动库仑滴定法和溶液电导率法等。,1、钍试剂比色法检测二氧化硫,以高氯酸酸化了的过氧化氢稀溶液作吸收液(pH在4.04.5)，当空气连续通过吸收液后，其中的二氧化硫被吸收并氧化为硫酸:,采样后的吸收液中，加入过量的高氯酸钡时，生成硫酸钡沉淀:,再加入钍试剂时，剩余的与钍试剂络合：钡(剩余)十钍试剂钍试剂-钡铬合物反应后，溶液中钍试剂的含量减少，溶液颜色变浅，吸光度减弱，且溶液吸光度与钍试剂的剩余含量成正比。从以上化学反应过程不难看出溶液吸光度与气样中二氧化硫的浓度成正比。因此，可用已知浓度的硫酸配制成标准系列，在520nm的波长处分别测定各标准试液与样品溶液的吸光度，即可用回