Zastosowanie detektora PDHID w chromatograficznej metodzie ciągłego pomiaru stężenia wodoru w powietrzu

• Autorzy: Grombik I. , Śliwka I.

Warianty tytułu

EN

Application of PDHID detector in gas chromatographic method of continuous hydrogen concentration measurement in air

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W związku z opracowywaniem nowych metod pozyskiwania energii, opartych na zastosowaniu wodoru jako jej nośnika, w laboratoriach na świecie bada się tendencje wzrostu jego stężenia w atmosferze (0,5 ppm I h w 2002 roku). Wodór jest gazem łatwo dyfundującym przez różne materiały, dlatego zastosowanie energetyki wodorowej na szeroką skalę może w przyszłości (ok. 2050 roku) doprowadzić do wyższego stężenia wodoru w atmosferze i w ten pośredni sposób przyczynić się do wzrostu stężenia gazu cieplarnianego - metanu. W Zakładzie Fizykochemii Ekosystemów Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie opracowano chromatograficzną metodę pomiaru stężenia wodoru w powietrzu. Próbka powietrza o objętości 1 cm3 jest analizowana w dwóch kolumnach chromatograficznych wypełnionych sitem molekularnym 5A, pracujących w systemie "back-flush". Do detekcji wodoru został użyty detektor helowy z wyładowaniem impulsowym (PDHID). Pomiary ilościowe stężenia wodoru prowadzone są w sposób ciągły. Ze względu na wpływ czynników zewnętrznych na stabilną pracę układu pomiarowego pomiary stężenia wodoru w próbkach powietrza prowadzone są naprzemiennie ze standardem wtórnym o znanym stężeniu wodoru. Uzyskana czułość detektora dla detekcji wodoru wynosi S = 0,5 mVs/pg H2, a otrzymany poziom wykrywalności układu pomiarowego wynosi LOD = 5 pg H2/cm3. Ciągły pomiar stężenia wodoru w powietrzu prowadzony w długim przedziale czasu pozwoli zdefiniować tło sezonowych i dobowych zmian stężenia wodoru w powietrzu Krakowa i w przyszłości ocenić wpływ energetyki wodorowej na środowisko.

EN

The world's demand for energy is still growing and probably by 2050 will be double higher. The supply of fossil fuels is limited, so the scientists investigate a new energy sources. The promising alternative for fossil fuels is hydrogen. However hydrogen is an easy diffusing gas through different materials and it may escape to the atmosphere both from vehicles and from the production installations. It is especially dangerous because of its inflammable, spontaneous ignition may occur in wide concentrations range 2+75%. The globally averaged hydrogen concentration in 2002 was about 0.5 ppm (parts per million). An average annual increase of 0.6 š0.1% hydrogen per year is observed. The application of hydrogen technology may cause higher growth of hydrogen concentration in atmosphere. In result the additional hydrogen may lead to reduction of hydroxyl radicals (OH), influenced on methane concentration in the atmosphere, which is the third greenhouse gas after water vapor and carbon dioxide. On the other hand, the using fuel cells in motorization will restrict the emission of nitrogen oxides, carbon monoxide or carbon dioxide, what will reduce the air pollution. Photochemical reactions, which can follow in the troposphere after the development of hydrogen economy, are not enough known to unequivocally define the direction of changes. Hence the emergency of continuous hydrogen concentration measurements in the air and study of the impact of these trends before using it as the fuel. In the Department of Physicochemistry of Ecosystems localized in the Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Science in Cracow the gas chromatographic (GC) method of hydrogen concentration measurements in the air (with the use of a Fisons GC) was developed. The air sample has been analysed in two chromatographic columns filled with a molecular sieve of type 5A working in the "back-flush" mode. To the hydrogen detection Pulsed Discharge Helium ionization Detector (PDHID) has been used. The sensitivity of the detector is about 0.5 mVs/pg at the detection limit 5 pg/cm3 of hydrogen and the detector is linear in the range of mass 20+420 pg. Quantitative measurements of hydrogen concentration in air are carrying out continuously. Measurements of hydrogen in the air are done alternate with secondary standard in one-hour system, in sequence of injections: standard-sample-standard-sample. The observed temporary hydrogen concentration in the Cracow's air are calculated by the 5-point Lagrange interpolation method. We observed higher concentrations of hydrogen in April 2007 - about 0.65 ppm. By the end of July 2007 the concentration of hydrogen in the air decreased to about 0.55 ppm. The same phenomenon is observed at the other stations on the world, because hydrogen shows a tendency of seasonal changes. Sometimes episodes are observed, which can be result of emission from a local anthropogenic source of hydrogen in Cracow or the inflow of air masses with higher concentration of hydrogen from outside Cracow region. These continuous hydrogen concentration measurements in the air conducted in long time interval enable to define the background of seasonal and twenty-four hours changes of hydrogen concentrations in Poland (Central Europe) and the impact of the hydrogen economy on the environment in the future.

Słowa kluczowe

PL

detektor helowy z wyładowaniem impulsowym (PDHID); chromatografia gazowa; stężenie wodoru w powietrzu

EN

pulsed-discharge helium ionisation detector (PDHID); gas chromatography; hydrogen concentration in the air

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2007
• Tom: T. 10, nr 2
• Strony: 117--129
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz.

Twórcy

autor

Grombik I.

autor

Śliwka I.

• Polska Akademia Nauk, Instytu Fizyki Jądrowej, Zakład Fizykochemii Ekosystemów, ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków

Bibliografia

• [1] Crabtree G.W., Dresselhaus M.S., Buchanan M.V., The Hydrogen Economy, Physics Today 2004, December, 39-44.
• [2] Appleby A.J., Elektrochemiczne silniki samochodowe, Świat Nauki 1999, wrzesień, 38-43.
• [3] Weisz P.B., Basic Choices and Constraints on Long-Term Energy Supplies, Physics Today 2004, July, 47.
• [4] Ashley S., Wyboista droga samochodów na wodór, Świat Nauki 2005, maj, 62-69.
• [5] Wald M.L., Czy nadejdzie era wodoru? Świat Nauki 2004, czerwiec, 40-47.
• [6] Novelli P. et al., Molecular hydrogen in the troposphere: Global distribution and budget, J. Geophys. Res. 1999, 104, 30427-30444.
• [7] Trompt T.K. et al., Potential environmental impact of a hydrogen economy on the stratosphere, Science 2003, 300, 1740-1742.
• [8] Gross G.W., Khalil M.A.K., OH concentrations from a general circulation model coupled with a troposphere chemistry model, Chemosphere-Global Change Science 2000, 2, 191-206.
• [9] Simmonds P.G. et al., Continuous high-frequency observations of hydrogen at the Mace Head baseline atmospheric monitoring station over 1994-1998 periods, J. Geophys. Res. 2000, 105, 12105-12121.
• [10] Wentworth W.E. et al., Pulsed discharge helium ionization detector. Universal detector for inorganic and organic compounds at the low picogram level, J. Chromatogr. A, 1994, 688, 135-152.
• [11] Grombik I. et al., The new methodology of hydrogen measurement in the air, Environment Protection Engineering 2006, 32, 3, 75-79, 3024-8828.
• [12] Łasa J. et al., Application of a pulsed-discharge detector to the determination of neon in air and water, J. Chromatogr. A 2002, 968, 263-267.
• [13] Śliwka I., Lasa J., Mathematical Methods for Improvement of Precision and Accuracy in Concentration Measurements Based on External Standard, Chem. Anal. 2002, 47, 113.