Химия и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Безруких Н.С., Безруких Е.Г.

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»,

НПО «Пульсар», г. Красноярск, Россия

 

Способ измерения высоких концентраций озона в газовой смеси

 

В современных высокотехнологичных областях производства, таких как создание полупроводниковых и сверхпроводящих материалов, применяется озон высоких и сверхвысоких концентраций, от 10 весовых % и более. Такие высокие концентрации озона возможно получить либо из чистого кислорода, либо из газовой смеси, содержащей не менее 90 объемных % кислорода.

В процессе отработки аппаратуры для синтеза высококонцентрированного озона, технологий его применения, а также в процессе производства материалов возникает необходимость измерения концентрации озона. Отечественное приборостроение выпускает газоанализаторы, способные измерять концентрации озона в газе до 200 г/м3 (порядка 14 весовых процентов). При этом возникают большие трудности с их калибровкой, т. к. стандартные источники озона с такой концентрацией отсутствуют. Работа этих приборов основана на оптическом методе анализа, базирующемся на поглощении в полосе Хартли ультрафиолетового излучения (резонансная линия 253,7 нм) [1].

Наиболее распространенным методом измерения концентрации озона в газовой среде является химический анализ, называемый йодометрией, базирующийся на том, что при взаимодействии озона с водным раствором йодистого калия выделяется свободный йод, который в свою очередь определяется титрованием раствором тиосульфата натрия. При больших концентрациях озона в газе эта методика дает большие ошибки [2].

В настоящей статье предлагается способ измерения высоких концентраций озона, основанный на значительной разнице в молекулярных весах кислорода и озона. Молекулярный вес кислорода составляет 32, а озона – 46. При концентрации озона в кислороде от 10 весовых % и выше эта разница в весе легко может быть определена с помощью электронных весов, измеряющих вес с точностью до 1 мг. Структурная схема такого измерительного прибора приведена на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 


1 – вентиль; 2 – кювета измерительная; 3 – клапан обратный (ниппель); 4 – весы электронные

 

Рис. 1. Структурная схема прибора

Прибор состоит из кюветы объемом 1 дм3 и электронных весов. Кювета выполняется из озоностойкого материала, лучше всего из стекла т. к. в чистой стеклянной емкости озон менее всего подвержен самораспаду. При этом точность измерений во многом будет зависеть от точности изготовления кюветы. Кювета должна быть оснащена входным краном и выходным обратным клапаном (ниппелем). Обратный клапан должен быть выполнен таким образом, чтобы при пропускании газа через кювету в ней не создавалось избыточное давление. В целях соблюдения техники безопасности кювета должна быть снабжена защитным экраном, т. к. озон в сверхвысоких концентрациях взрывоопасен. Кроме того, она должна соединяться с входным вентилем и обратным клапаном очень гибкими трубопроводами (хорошо подходят для этого силиконовые трубки), не влияющими на повторяемость и точность измерений веса кюветы.

Измерения следует проводить следующим образом. На первом этапе кювета заполняется исходным газом и производится обнуление электронных весов. Далее кювета заполняется исследуемым газом и снимаются показания разности веса. По графику определяется величина концентрации озона С. При необходимости повышения точности измерения нужно привести полученный результат к нормальным условиям. Для приведения концентрации озона к нормальным условиям необходимо дополнительно измерить атмосферное давление и температуру окружающего воздуха, после чего вычислить приведенную концентрацию С0 по формуле

                                                       ,                                               (1)

где

Р –  атмосферное давление, мм рт. ст.;

Р0 = 760 мм рт. ст. – нормальное давление;

Т – температура окружающего воздуха, К;

Т0 = 293 К – нормальная температура.

Газовую смесь с высокой концентрацией кислорода получают, как правило, в озонаторах барьерного типа из кислорода, производимого на месте. Кислород получают путем концентрации из атмосферного воздуха на адсорбционных установках, работающих на молекулярных ситах [3], [4], [5].

Типичной величиной концентрации кислорода на выходе для этих установок является 93 объемных %. Таким образом, принимая во внимание, что

–       состав исходного газа представляет смесь кислорода 93 объемных % и азота 7 объемных %,

–       объем измерительной кюветы составляет 1 дм3,

–       молярный объем идеального газа составляет 22,414 дм3/моль,

приводим формулу для расчета концентрации озона по разности веса кюветы, наполненной исходным газом и озоновой смесью.

                                                        ,                                                (2)

где

С – концентрация озона в газе, мг/дм3 (г/м3);

Δр – разность веса кюветы объемом 1 дм3, заполненной озоновой смесью и исходным газом, мг.

Как видим, зависимость линейная. Номограмма определения С по полученной разности веса приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Номограмма определения концентрации озона

 

Приведенный выше способ позволяет достаточно просто производить оценочные измерения высоких и сверхвысоких концентраций озона, не прибегая к помощи весьма дорогостоящих импортных измерителей-газоанализаторов. Для повышения точности измерений необходимо:

–       контролировать процентное содержание кислорода в исходной газовой смеси;

–       обеспечить работу обратного клапана таким образом, чтобы он не создавал избыточное давление в кювете;

–       выполнять кювету из материала, не способствующего быстрому разложению озона (стекло, кварц);

–       обеспечить хороший фундамент электронным весам, исключив возможную вибрацию.

 

Литература:

1.     Драгинский, В.Л. Озонирование в процессах очистки воды [Текст] / В.Л. Драгинский, Л.П. Алексеева, В.Г. Самойлович. – М.: изд-во ДеЛи принт, 2007. – 395 с.

2.     Лунин, В.В. Физическая химия озона [Текст] / В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко. – М.: изд-во МГУ, 1998. - 480 с.

3.     Романов, А.Н. Установки КБА для разделения воздуха, разработанные ООО «АГТ» [Текст] / А.Н. Романов, Г.Х. Степ, В.Н. Удут, В.М. Богданов. // Озон и другие экологически чистые окислители. Материалы первой всероссийской конференции. М.: –2005.  – С. 142.

4.     Никифоров, Ю.В. Применение воздухоразделительных установок короткоцикловой адсорбции в системах озонирования [Текст] / Ю.В. Никифоров, А.И. Смордин. // Озон и другие экологически чистые окислители. Материалы первой всероссийской конференции. М.: –2005.  – С. 143.

5.     Самойлович, В.Г. Аргументы «за» и «против» использования воздуха или кислорода для промышленного производства озона [Текст] / В. Г. Самойлович, Л. Ю. Абрамович. // Озон и другие экологически чистые окислители. Материалы первой всероссийской конференции. М.: –2005.  – С. 144.