Metode de masurare a emisiilor poluante

METODE DE MASURARE A EMISIILOR POLUANTE

Pentru masurarea poluantilor legiferati in prezent, s-au dezvoltat metode de analiza specifice, in scopul omologarii motoarelor cu ardere interna in ceea ce priveste emisiile de substante poluante.

1 Masurarea monoxidului de carbon

Masurarea CO se face, de regula, cu analizorul de tip NDIR (analizor nedispersiv cu absorptie in infrarosu) sau cu analizorul electric, primul tip fiind preferat de regulamentele internationale. Nu sunt excluse alte metode de masura, daca se dovedeste ca acestea sunt echivalente in performante cu cele ale analizorului NDIR. Acest analizor foloseste metoda absorbtiei energiei radiante nedispersive in spectrul de radiatii infrarosii care are la baza urmatorul principiu: gazele poliatomice absorb selectiv energia radiata in spectrul infrarosu in diferite benzi de lungimi de unda caracteristice flecarei substante. Pe aceasta cale se poate determina atat concentratia de CO cat si CO2 si HC. CO si CO2 absorb radiatia infrarosie la lungimea de unda de 4,7um si 4,3um. Analizatorul NDIR masoara absorbtia la lungime de unda data si compara rezultatul cu absorbtia unor gaze etalon. Acest analizor face o masuratoare comparativa si nu una absoluta, depinzand intr-o mare masura de calitatea amestecului de gaze pure. Asa cum este aratat in diagrama simplificata din figura 13.1, o sursa de radiatii de banda larga in infrarosu produce doua fascicole paralele, care trec prin doua tuburi cu pereti interiori reflectorizanti si care sunt apoi captate de un detector diferential de gaz.

Detectorul este alcatuit dintr-o carcasa etansa, cu doua fante de transmitere a radiatiei infrarosii, care este despartita de o diafragma flexibila, ce reprezinta placa unui condensator. Cele doua parti ale detectorului sunt umplute cu gazul de analizat si cu gazul etalon. Cand cele doua fascicule patrund in detector, componentele la lungimile de unda specificate sunt absorbite de gazul detector, care se incalzeste si se dilata. In cazul in care fasciculele sunt egale, nu exista dezechilibru al diafragmei separatoare.

Un fascicul, cel de referinta, urmeaza un drum fixat, celalalt trece prin tubul cu gazul de analizat. in acest tub, energia fasciculului scade datorita absorbtiei unui anumit component si prin trecerea prin jumatatea corespunzatoare a detectorului, dezvolta mai putina caldura de absorbtie, ceea ce conduce la deplasarea diafragmei cu variatia capacitatii electrice a condensatorului. Fasciculele sunt intrerupte cu o frecventa de 6-1 OHz, ceea ce determina generarea unui semnal electric alternativ. Selectivitatea pentru fiecare component data de natura gazului folosit in detector poate fi crescuta prin folosirea filtrelor de banda ingusta in infrarosu tip Fabry - Perrot sau prin inlaturarea compusului cu care interfereaza.

Fig.1

2 Masurarea oxizilor de azot, NOx

Masurarea NO_x se face prin metoda absorbtiei sau prin metoda chemiluminiscentei, aceasta din urma fiind metoda recomandata de regulamentele internationale. Determinarea NO_x prin chemiluminiscenta se bazeaza pe faptul ca NO reactioneaza cu ozonul (O3) rezultand NO2 incarcat electric; acesta se descarca producand o cuanta de lumina rosie:

NO + 0₃ = N0₂*+02

N0₂* = N0₂ +  

Aceasta poate fi masurat cu precizie, folosind un fotomultiplicator. Pot avea ioc alte doua reactii:

no + o₃=no₂ + o₂

NO + 0₃ = N0₂* + 0₂ =N0₂ + 0₂ + M.

Prima reactie consuma O2 fara a produce molecule excitate, iar cea de a doua consuma molecule

excitate, prin actiunea moleculelor inerte (M), fara a produce emisie de fotoni.

Pentru evitarea acestor reactii parasite, se mentine gazul la presiune scazuta si temperatura constanta si se elimina apa, pentru a nu crea molecule inerte. Analizorul are alcatuirea din figura 2.

In camera de reactii patrunde gazul de analizat si ozonul. in aceasta camera, mentinuta la temperatura constanta, se produce reactia care genereaza molecule de NO2 excitate. Camera este vidata (3-12 torr) cu o pompa de vid. Fotomultiplicatorul (cu celula fotoelectrica) transforma impulsurile luminoase in curent electric. Aparatul mai cuprinde circuitul probei si circuitul de producere a ozonului (ozonul se obtine prin trecerea O2 printr-un reactor cu doi electrozi, alimentati la o sursa de tensiune inalta, care produce o descarcare electrica, rezultand 2% ozon din oxigenul vehiculat). Deoarece normele solicita masurarea concentratiei totale de NO_x(NO+N02) si pornind de la constatarea ca in gazele de evacuare se afla, in principal, NO si NO2, aparatul este realizat pentru a masura si suma acestor gaze. Pentru aceasta, proba de gaze se trece printr-un reactor incalzit electric la temperatura de 650 700°C, la care totalitatea NO2 disociaza in NO, care este apoi este analizat dupa metoda descrisa.

Fig 2

3 Masurarea hidrocarburilor

O serie de hidrocarburi absorb radiatia in spectru infrarosu, la lungimea de unda de 3,4jim, dar altele, in special hidrocarburile aromatice, au absorbtia aproape nula. Doar aproximativ 50% dintre hidrocarburi pot fi masurate prin NDIR, ceea ce este inadmisibil pentru o tehnica de masura. Metoda care realizeaza masuratori cu o precizie mai buna este cea care utilizeaza detectia ionizarii flacarii (FID = Flame Ionization Detection). Aceasta metoda se bazeaza pe faptul ca atomii de carbon pot fi separati, la temperatura ridicata, in ioni pozitivi si electroni liberi. intrucat vaporii de apa influenteaa masurarea, gazele de analizat se incalzesc pana la 190°C, metoda devine HFID {Heated FID). Procedeul de masura are avantajul ca indicatia detectorului este proportionala cu concentratia hidrocarburilor si cu numarul de atomi de carbon din molecula, de exemplu, indicatia aparatului la

100 ppm propan (C₃H_S) este jumatate din indicatia la 100 ppm hexan (CeHw). De aceea aparatul se mai numeste si numerator de atomi de carbon (figura 3)

Gazul de analizat se amesteca cu aer si arde intr-o flacara formata din H₂ (40%) si He (60%). in zona flacarii sunt amplasate doua placi electrizate pozitiv si, respectiv, negativ. Ionii pozitivi si negativi se vor separa, pe placi, generand un curent electric proportional cu numarul de atomi de carbon, curent care poate fi amplificat si masurat.

Fig 3

4 Masurarea fumului

Metodele cele mai raspandite de masurare a fumului sunt metoda filtrarii gazelor si metoda evaluarii absorbite de gaze.

Metoda filtrarii gazelor consta in colectarea particulelor de fum pe un filtru si aprecierea acestora fie prin cantarire, fie prin determinarea coloratiei hartiei de filtru.Dupa cum se observa, metoda de masurare gavimetrica este identica cu cea prezentata la masurarea particulelor, ceea ce inseamna ca notiunea de particule reprezinta o notiune mai larga: particular include produsi solizi si lichizi ai arderii incomplete. Determinarea coloratiei hartiei de filtru este principiul care sta la baza constructiei fummetrelor Bosh. La aceste aparate, fumul trece printr-un disc de hartie de filtru, la o depresiune constanta creata de o pompa de vacuum. Dupa luarea probei, filtrul se compara cu unul curat, cu ajutorul unei celule fotoelectrice. Valorile obtinute se incadreaza in scara Bacharach, care stabileste 10 niveluri de innegrire, zero fiind atribuit hartiei de filtru curate.

Metoda evaluarii luminii absorbite de gaze are ca principiu de masura comparatia transparentei coloanei de fum cu transparenta unei coloane de aer curat. O lampa cu incandescenta emite un flux luminos, ce trece prin coloanele de gaze si aer, impresionand o celula fotoelectrica. Functie de coeficientul de absorptie determinat se stabilesc valorile corespunzatoare ale unitatilor de fum. Fummetrele care lucreaza dupa acest principiu se numesc fummetre tip Hartridge sau opacimetre.in cele doua scari de masura, Bosh si Hartridge, s-a stabilit o echivalenta calitativa, iar prin medierea intervalului de variatie s-au obtinut valorile cele mai probabile.

Definitia fumului data de QUARG (grupul penrtu calitatea aerului din Marea Britanie) este urmatoarea: ' Fumul reprezinta materia formata din particule cu diametrul sub 15 um, rezultata in urma arderii incomplete a combustibilului. Fumul negru reprezinta materia formata din particule negre (nereflectante) care rezulta in urma masurarii prin metoda filtrarii'.

Diferenta dintre fum si fum negru trebuie subliniata: termenul de fum se refera la particulele primare, indiferent de culoarea acestora (grad de innegrire). Totusi, datorita faptului ca masuratorile de fum din aer prin metoda filtrului depind de gradul de innegrire al hartiei de filtru, s-a introdus termenul de fum negru, pentru a face o distinctie intre capacitatile de depunere diferite ale fumului provenit din surse diferite.

Masurarea particulelor

Asa cum s-a aratat anterior, particulele sunt definite implicit, euristic, prin metoda proprie de masurare: metoda gravimetrica.

Intrucat aceasta metoda este destul de complicata, a fost propusa o alta metoda de masurare a particulelor prin tehnica de absorptie in infrarosu la anumite lungimi de unda; echipamentul determina continutul de carbon (fractiunea insolubila a particulelor) si cantitatea totala de hidrocarburi (solide, lichide si gazoase); precizia determinarii este de +/- 5% pentru carbon si de +/-15% pentru hidrocarburi, raportate la metoda conventionala.

6 Echivalenta fum-particule

Particulele emise de motoarele diesel sunt compuse in principal din funingine, generate in timpul arderii (carbon grafitic) si hidrocarburi, absorbite sau condensate. Particulele sunt definite, in scop legislativ, ca materialul (cu exceptia apei) care se colecteaza pe un filtru de teflon la trecerea gazelor arse emise de motor, anterior diluate cu aer filtrate; diluarea cu aer curat se face pentru a respecta conditia T fatm < 52 °C, pentru a evita volatilizarea unor hidrocarburi si condensarea apei.

Masurarea particulelor se bazeaza pe definitia anterioara si implica o procedura complicata: diluarea gazelor de evacuare sau a unei parti a acestora, masurarea exacta raportului de dilutie, cantarirea filtrelor inainte si dupa esantionare intr-o atmosfera controlata, cunoasterea exacta a debitului de gaze diluate care trec prin filtru in perioada esantionarii.

Se trage concluzia ca masurarea particulelor este o operatie cu mai multe faze, scumpa si de durata si, de aceea, nu este surprinzator faptul ca au fost facute multe incercari de a corela masurarea gravimetrica a particulelor cu masurarea indicelui de fum, prin folosirea fummetrelor obisnuite (Bosh, Hartridge) sau a altor instrumente necomercializate. Majoritatea studiilor pe aceasta tema, au obtinut corelatii intre cifrele de fum si concentratia de funingine masurata in gazele de evacuare nediluate.