Trong thời đại hiện nay, ô nhiễm môi trường là một vấn đề trầm trọng trên toàn thế giới, đặc biệt là ô nhiễm không khí. Việc xả thải khí độc hại từ các nhà máy, giao thông, sản xuất và năng lượng đã làm trầm trọng hơn tình trạng ô nhiễm không khí. Các chất ô nhiễm thường gặp trong không khí bao gồm cacbon monoxit (CO), cacbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOx), nitrous oxide (N2O), ammonia (NH3), hydrogen chloride (HCl), hydrogen floride (HF) và methane (CH4), vv. Những chất này có thể gây hại đến sức khỏe con người, động vật, cây trồng và cả môi trường tự nhiên.
Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật đo bằng cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR – Non-Dispersive InfraRed) được sử dụng để phát hiện các chất ô nhiễm trong không khí. Kỹ thuật đo NDIR đã bắt đầu phát triển vào cuối thập niên 1930 tại Hoa Kỳ. NDIR là một công nghệ rất hiệu quả để phát hiện các chất ô nhiễm và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng môi trường và công nghiệp.
Nguyên lý phân tích khí bằng phương pháp đo cảm biến hồng ngoại không tán xạ NDIR
Phương pháp phổ hồng ngoại NDIR là gì?
Phương pháp phổ hồng ngoại NDIR là kỹ thuật đo dựa trên các rung động của các nguyên tử trong một phân tử. Một phổ hồng ngoại thường được thu bằng cách chiếu tia hồng ngoại qua mẫu và xác định phần nào của tia chiếu bị hấp thụ ở một mức năng lượng cụ thể. Khi phân tử hấp thụ ánh sáng phổ hồng ngoại, năng lượng của ánh sáng này được truyền cho các nguyên tử trong phân tử, gây ra các rung động tương ứng với các bước sóng phổ hấp thụ. Các rung động này được ghi lại bởi cảm biến và được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của phân tử. Do các phân tử của các chất khác nhau có cấu trúc khác nhau, năng lượng cần thiết cho mỗi chuyển động cũng khác nhau, do đó phổ phân tử hình thành là khác nhau.
Nền tảng kỹ thuật của các cảm biến khí NDIR dựa trên Định luật Beer-Lambert:
I(λ)=Io(λ)×exp(-α(λ)CL)
Trong đó:
- Io(λ) là cường độ tia bức xạ ban đầu,
- I(λ) là cường độ của tia bức xạ sau khi đi qua khí đến bộ cảm biến,
- α(λ) là hệ số hấp thụ,
- C là nồng độ khí,
- L là độ dày quang học của mẫu, được xác định bình thường bằng chiều dài buồng mẫu của bộ cảm biến.
Ưu điểm của phương pháp đo cảm biến hồng ngoại NDIR
- Cho phép định tính và định lượng mẫu với độ nhạy và độ tách biệt cao
- Năng lượng tiêu thụ thấp do tia hồng ngoại có bước sóng trong khoảng 1 – 15 µm có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với các nguồn khác
Ứng dụng của kỹ thuật đo cảm biến hồng ngoại NDIR
Công nghệ NDIR có thể được sử dụng để phát hiện và đo lường nồng độ của các khí ô nhiễm không khí như SO2 và N2O, các khí dễ cháy và nổ như CH4 và CO, cũng như các khí độc như NH3 và C2H2. Kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng để phát hiện rò rỉ khí trong ngành công nghiệp hóa học, bao gồm rò rỉ methane trong kho lưu trữ, vận chuyển và xử lý khí tự nhiên, tương tự như ethylene và carbon monoxide. Ngoài ra, kỹ thuật đo NDIR còn có thể phát hiện các khí dễ cháy trong môi trường thiếu oxy và không bị ảnh hưởng bởi các chất độc như silicone và lưu huỳnh.
Nguyên lý phân tích cacbon và lưu huỳnh (C/S) với NDIR của EMIA-SERIES HORIBA
Thiết bị phân tích đến từ HORIBA sử dụng các bộ phân tích C/S để đo lượng mẫu rắn vô cơ, như các khối nhỏ, bột, viên, hạt,… Nguyên lý hoạt động của thiết bị này là đốt cháy hoàn toàn mẫu ở nhiệt độ cao và dẫn khí mang đến các bộ cảm biến hồng ngoại để đo lường các nguyên tố. Phương pháp hấp thu hồng ngoại sau khi đốt cháy cũng đã được đề cập trong tiêu chuẩn ISO.
Nguyên lý của máy phân tích cacbon và lưu huỳnh C/S của HORIBA sử dụng thuật ngữ EMIA (Element Material Infrared Analyzer) dùng một lưu lượng khí Oxy để làm khí mang, dẫn các khí CO, CO2 và SO2 đến hệ thống phát hiện.
Ngoài ra, máy phân tích nguyên tố O/N/H cũng được sử dụng để đo lượng Oxy, Nitơ và Hydro trong vật liệu vô cơ. Thiết bị phân tích khí của HORIBA với tên gọi EMGA – Element Material Gas Analyze sử dụng một lưu lượng khí khí trơ thay vì khí oxy để mang H2, N2 và CO đến hệ thống cảm biến.
Có 3 loại lò đốt mẫu khác nhau tùy thuộc vào công cụ và ứng dụng:
- Lò nung dùng điện trở – Resistance furnace (EMIA): Mẫu được đặt vào chiếc thuyền gốm và được đốt cháy chậm. Lò trở được ưa chuộng để phân biệt chính xác các nguyên tố từ bề mặt và từ phần lõi của vật liệu vì nó cho phép kiểm soát nhiệt độ rất chính xác.
- Lò nung từ – Induction furnace (EMIA): Mẫu được đưa vào một chén gốm, trộn với chất dễ cháy và được đốt bởi từ. Nếu nhiệt độ chính xác trong ấm không được biết đối với loại lò này, vẫn có thể kiểm soát dòng điện áp dụng và điều chỉnh nó để tối ưu hóa phương pháp. Nó được ưu tiên cho đo lường cacbon tổng hợp với công suất cao.
- Lò xung – Impulse furnace (EMGA): Mẫu được đưa vào một chiếc ấm than chì được đặt giữa 2 điện cực. Một dòng điện rất cao được tạo ra và duy trì để tan chảy mẫu và tạo ra khí. Dòng điện đầu ra của lò được giám sát và có thể được tối ưu hóa tự động để phân tách nhiễm bẩn bề mặt từ chén dung lõi.
Bảng dưới đây tóm tắt nguyên tắc cho từng yếu tố và công cụ.
| Khí mang | Lò nung | Chén nung | Nguyên tắc | Kỹ thuật phát hiện | Model |
| C | Cảm ứng | Chén gốm | Oxy hoá/Tạo ra CO và CO2 | NDIR | EMIA Pro / Expert |
| C | Điện trở | Thuyền gốm | Oxy hoá/Tạo ra CO và CO3 | NDIR | EMIA Step |
| S | Cảm ứng | Chén gốm | Oxy hoá/Tạo ra CO và CO4 | NDIR | EMIA Pro / Expert |
| S | Điện trở | Thuyền gốm | Oxy hoá/Tạo ra CO và CO5 | NDIR | EMIA Step |
| O | He | Chén Graphite | Phản ứng tổng hợp khí trơ, khử / Tạo ra CO và CO2 | NDIR | EMGA Pro / Expert EMGA 930 / 920 |
| N | He | Chén Graphite | Phản ứng tổng hợp khí trơ, khử / Tạo ra CO và CO2 | TCD | EMGA Pro / Expert EMGA 930 / 920 |
| H | He | Chén Graphite | Phản ứng tổng hợp khí trơ, khử / Tạo ra CO và CO2 | NDIR | EMGA Pro / Expert EMGA 930 |
| H | Ar | Chén Graphite | Phản ứng tổng hợp khí trơ, khử / Tạo ra CO và CO2 | TCD | EMGA Pro / Expert EMGA 921 |