این دستگاه برای سنجش درصد خلوص گاز CO₂ در نمونه‌های گازی یا مخلوط گازها استفاده میشود. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری خلوص CO₂ وجود دارد که برخی از متداول‌ترین آنها شامل کروماتوگرافی گازی (GC)، طیف‌سنجی مادون قرمز (IR) و آنالیزورهای الکتروشیمیایی است.
اندازه گیری دی اکسید کربن در نظارت بر کیفیت هوای داخل ساختمان، عملکرد ریه ها به شکل دستگاه کاپنوگراف و بسیاری از فرآیندهای صنعتی مهم است.
خلوص CO2 به درصد حجمی یا وزنی دی‌اکسید کربن (CO₂) در یک نمونه گازی یا مخلوط گازها اشاره دارد. این معیار نشان می‌دهد چه مقدار از گاز موردنظر، خالص CO₂ است و چه مقدار ناخالصی در آن وجود دارد. ناخالصی های موجود در CO2 می تواند شامل بخار آب، هیدروکربن ها، اکسیژن، نیتروژن و سایر گازهای کمیاب باشد. هر چه درجه خلوص بالاتر باشد، گاز حاوی ناخالصی کمتری است و آن را برای کاربردهای دقیقی که نیاز به گاز غیر آلوده دارند، مناسب تر می کند.
– ناخالصی‌هایی مانند سولفور دی‌اکسید (SO₂) یا هیدروکربن‌ها می‌توانند طعم و بوی محصولات را خراب کنند.
– در نوشیدنی‌های گازدار (مانند نوشابه)، CO₂ با خلوص پایین باعث ایجاد مزه‌های نامطلوب میشود.
– در دستگاه‌های بیهوشی و تنفس مصنوعی، ناخالصی‌های سمی (مانند CO) خطر مرگ بیمار را افزایش می‌دهند.
– CO₂ پزشکی باید گرید ۹۹.۹۹٪ خالص داشته باشد تا برای انسان بی‌خطر باشد.
– در سنتز مواد دارویی، ناخالصی‌ها می‌توانند واکنش‌های شیمیایی را مختل کنند.
– برای تولید کربنات‌ها و بی‌کربنات‌ها ، CO₂ باید عاری از گازهای اسیدی باشد.
– در جوشکاری قوس الکتریکی، CO₂ ناخالص باعث تخلخل جوش و کاهش استحکام اتصال میشود.
– خلوص بالای CO₂ (حداقل ۹۹.۸٪) برای جوش‌های باکیفیت ضروری است.
– لیزرهای CO₂ در جراحی و برش فلزات نیاز به گاز بسیار خالص (۹۹.۹۹۹٪) دارند تا عملکرد پایدار داشته باشند.
– ناخالصی‌ها باعث کاهش راندمان لیزر و آسیب به دستگاه می‌شوند.
– یخ خشک با CO₂ ناخالص، ناپایدارتر است و زودتر تصعید میشود.
– در صنایع حمل‌ونقل مواد غذایی و پزشکی، خلوص CO₂ بر ماندگاری محصول تأثیر می‌گذارد.
اندازه‌گیری دقیق خلوص دی‌اکسید کربن (CO₂) در صنایع مختلف مانند غذایی، پزشکی، نفت و گاز، الکترونیک و محیط زیست اهمیت زیادی دارد. دستگاه‌های مختلفی برای این منظور طراحی شده‌اند که هر کدام بر اساس اصول خاصی کار می‌کنند. در اینجا انواع دستگاه‌های اندازه‌گیری خلوص CO₂ را به طور مفصل بررسی می‌کنیم:
اصول کار:
– نمونه گاز به داخل دستگاه تزریق شده و توسط گاز حامل (معمولاً هلیوم یا نیتروژن) به سمت ستون کروماتوگرافی هدایت میشود.
– اجزای مختلف گاز (از جمله CO₂ و ناخالصی‌ها) بر اساس تمایل به جذب در فاز ساکن ستون از هم جدا می‌شوند.
– پس از جداسازی، CO₂ توسط دتکتور (مانند TCD یا FID) شناسایی و غلظت آن اندازه‌گیری میشود.
کاربردها: | صنایع دارویی | پالایشگاه‌های گاز | تحقیقات علمی |
مزایا: | دقت بسیار بالا (حتی در غلظت‌های کم) | قابلیت شناسایی همزمان چندین گاز | مناسب برای آزمایشگاه‌های کنترل کیفیت |
معایب: | نیاز به کالیبراسیون دقیق | زمان‌بر بودن آنالیز | هزینه بالای دستگاه و نگهداری |
اصول کار:
– مولکول‌های CO₂ نور مادون قرمز را در طول‌موج ۴.۲۶ میکرومتر جذب می‌کنند.
– دستگاه یک پرتو IR به نمونه می‌تاباند و میزان جذب را اندازه‌گیری می‌کند.
– هرچه غلظت CO₂ بیشتر باشد، جذب نور بیشتر است.
کاربردها: | سیستم‌های کنترل آلایندگی | گلخانه‌ها | صنایع نوشابه‌سازی |
مزایا: | اندازه‌گیری سریع و پیوسته | عدم نیاز به نمونه‌برداری مخرب | مناسب برای محیط‌های صنعتی |
معایب: | ممکن است تحت تأثیر گازهای دیگر با جذب مشابه قرار گیرد (نیاز به فیلتراسیون) | در غلظت‌های بسیار کم دقت کمتری دارد | – |
اصول کار:
– گاز CO₂ با الکترولیت داخل سنسور واکنش داده و جریان الکتریکی تولید می‌کند.
– میزان جریان متناسب با غلظت CO₂ است.
کاربردها: | مانیتورینگ محیطی | سیستم‌های HVAC | کشاورزی هوشمند |
مزایا: | قابل حمل و سبک | قیمت پایین | پاسخ سریع |
معایب: | طول عمر محدود (معمولاً ۱ تا ۳ سال) | نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای | دقت کمتر نسبت به GC و NDIR |
اصول کار:
– نمونه گاز یونیزه شده و بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) جداسازی میشود.
– CO₂ دارای نسبت m/z مشخص (~۴۴) است و می‌تواند از ناخالصی‌ها تفکیک شود.
کاربردها: | صنایع نیمه‌هادی | تحقیقات فضایی | آزمایشگاه‌های پیشرفته |
مزایا: | دقت فوق‌العاده بالا | توانایی تشخیص ناخالصی‌های بسیار کم (حتی ppb) | – |
معایب: | هزینه بسیار بالا | نیاز به اپراتور متخصص | – |
اصول کار:
– سرعت عبور امواج فراصوت از گاز به غلظت CO₂ بستگی دارد.
– با اندازه‌گیری تغییرات سرعت، خلوص گاز تعیین میشود.
کاربردها: | صنایع پتروشیمی | سیستم‌های انتقال گاز |
مزایا: | عدم نیاز به تماس مستقیم با گاز | مقاوم در برابر آلودگی |
معایب: | حساسیت کم به ناخالصی‌های جزئی | – |
اصول کار:
– از لیزر دیودی برای تابش نور در طول‌موج جذب CO₂ استفاده میشود.
– میزان جذب نور، غلظت CO₂ را مشخص می‌کند.
کاربردها: | مانیتورینگ دودکش‌های صنعتی | تحقیقات جوی |
مزایا: | دقت بالا | قابلیت اندازه‌گیری در فشار و دمای مختلف |
معایب: | هزینه نسبتاً بالا | – |
۷. روش‌های تیتراسیون (Titration Methods)
اصول کار:
– نمونه گاز در محلول جاذب (مانند KOH) حل میشود.
– تغییرات pH یا هدایت الکتریکی اندازه‌گیری شده و غلظت CO₂ محاسبه میشود.
کاربردها: | آزمایشگاه‌های آموزشی | صنایع شیمیایی |
مزایا: | سادگی و هزینه کم | – |
معایب: | زمان‌بر بودن | عدم امکان اندازه‌گیری پیوسته |
جمع‌بندی و انتخاب بهترین دستگاه
| دستگاه | دقت | سرعت | هزینه | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|---|
| کروماتوگراف گازی (GC) | بسیار بالا | متوسط | بالا | آزمایشگاه‌های پیشرفته |
| NDIR | بالا | سریع | متوسط | صنایع غذایی و محیط زیست |
| سنسور الکتروشیمیایی | متوسط | سریع | پایین | پایش محیطی |
| طیف‌سنج جرمی (MS) | فوق‌العاده | سریع | بسیار بالا | صنایع های-تک |
| اولتراسونیک | متوسط | سریع | متوسط | صنایع نفت و گاز |
– کنترل کیفیت CO₂ در نوشابه‌سازی: در نگهداری مواد غذایی و کربناته کردن نوشیدنی ها، حتی ناخالصی های جزئی نیز می توانند بر طعم و ماندگاری تأثیر بگذارند. ناخالصی‌هایی مانند سولفور دی‌اکسید (SO₂) یا هیدروکربن‌ها طعم نوشیدنی‌ها را خراب می‌کنند. به همین دلیل، CO2 درجه مواد غذایی و نوشیدنی باید از دستورالعمل‌های ایمنی و کیفیت دقیق پیروی کند تا اطمینان حاصل شود که فاقد آلاینده‌هایی است که می‌تواند به مصرف‌کنندگان آسیب برساند.
– بسته‌بندی مواد غذایی (Modified Atmosphere Packaging – MAP): CO₂ خالص از فساد مواد غذایی جلوگیری می‌کند.
– تولید گازهای تنفسی و بیهوشی : CO₂ با خلوص ≥۹۹.۹۹٪ در دستگاه‌های تنفس مصنوعی و لیزرهای جراحی استفاده میشود. حتی مقادیر کمی ناخالصی در CO2 که برای اهداف پزشکی استفاده می شود می تواند منجر به عوارض شود، به همین دلیل است که باید استانداردهای دارویی دقیق را رعایت کند.
– کاربرد در انکوباتورهای آزمایشگاهی: کنترل دقیق غلظت CO₂ برای کشت سلولی ضروری است.
– پایش تغییرات اقلیمی و گازهای گلخانه‌ای: اندازه‌گیری CO₂ در جو برای مطالعات آب‌وهوایی.
– سیستم‌های جذب و ذخیره کربن (CCS): اطمینان از خلوص CO₂ قبل از تزریق به مخازن زیرزمینی.
CO2 با درجه تحقیقاتی برای آزمایش های علمی دقیق که در آن مقادیر ناچیز ناخالصی می تواند نتایج را تغییر دهد، ضروری است. این درجه اغلب در کروماتوگرافی گازی و سایر تکنیک های آزمایشگاهی با دقت بالا استفاده می شود.
– استفاده به عنوان گاز محافظ: CO₂ با خلوص ≥۹۹.۸٪ برای جوشکاری قوس الکتریکی به کار می‌رود تا از اکسید شدن فلز جلوگیری کند.
– جلوگیری از تخلخل جوش: ناخالصی‌ها باعث ضعف در اتصالات جوش می‌شوند.
– کنترل خلوص CO₂ برای تولید یخ خشک: ناخالصی‌ها باعث کاهش کیفیت و پایداری یخ خشک می‌شوند.
– صنایع حمل‌ونقل مواد غذایی و پزشکی: یخ خشک با خلوص بالا برای سرمایش ایمن استفاده میشود.
– ازدیاد برداشت نفت (Enhanced Oil Recovery – EOR): تزریق CO₂ خالص به چاه‌های نفت برای افزایش استخراج.
– پایش گازهای خروجی دودکش‌ها: اندازه‌گیری CO₂ در فرآیندهای احتراق برای کنترل آلایندگی.
– کنترل کیفیت CO₂ در کپسول‌های آتش‌نشانی: ناخالصی‌ها می‌توانند کارایی سیستم را کاهش دهند.
– پایش گاز در سیستم‌های اطفاء خودکار: اطمینان از غلظت مناسب CO₂ برای خاموش کردن آتش.
– تمیزکاری ویفرهای سیلیکونی با CO₂ فوق خالص: خلوص ≥۹۹.۹۹۹٪ (5N) برای جلوگیری از آلودگی تراشه‌ها.
– لیزرهای صنعتی برای برش و حکاکی: CO₂ خالص عملکرد لیزر را بهبود می‌بخشد.
– تزریق CO₂ برای افزایش رشد گیاهان: کنترل دقیق غلظت CO₂ (معمولاً ۸۰۰-۱۲۰۰ ppm) برای فتوسنتز بهتر.
– پایش CO₂ در انبارهای نگهداری محصولات: جلوگیری از فساد میوه‌ها و سبزیجات.
– تولید داروهای مبتنی بر کربن: CO₂ خالص در سنتز مواد دارویی استفاده میشود.
– فرآیندهای تخمیر: کنترل CO₂ در تولید آنتی‌بیوتیک‌ها و واکسن‌ها.
حسگرهای CO2 ابزارهای مهمی هستند که ارتباط فزاینده ای برای اندازه گیری غلظت گاز در هوا و در فرآیندهای زیستی دارند. کاربردهای آنها می تواند اطلاعات پایه ای را برای درک بهتر فرآیندها در شیمی و همچنین در پزشکی، زیست شناسی، زمین شناسی و تحقیقات آب و هوایی فراهم کند. برای اندازه گیری غلظت دی اکسید کربن در مایعات و گازها، روش های متعددی در ادبیات علمی شرح داده شده است، اما تنها تعداد کمی از آنها در عمل مورد قبول واقع شده اند. اصول اولیه و کاربردهای اندازه‌گیری CO2 با تمرکز بر روی دستگاه‌های حسگر درجا، که مستقیماً در فرآیند قابل استفاده هستند، بررسی میشود.
تمامی حقوق مادی و معنوی متعلق به شرکت سیال تامین رهام می‌باشد.
