سپهر گاز کاویان دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت تعیین ماهیت کربن دی اکسید تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

تعیین ماهیت کربن دی اکسید

برای اطمینان از اینکه گاز مورد نظر واقعاً کربن دی اکسید است و نه گازی دیگر با خواص مشابه، نیاز به درک عمیق از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن و تسلط بر روش‌های شناسایی آن داریم.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی کربن دی اکسید

1. فرمول مولکولی و ساختار:

فرمول مولکولی: CO2

ساختار: مولکول CO2 خطی و متقارن است. اتم کربن در مرکز قرار گرفته و دو اتم اکسیژن در دو سوی آن با پیوندهای کووالانسی دوگانه به آن متصل شده‌اند (O=C=O). این تقارن ساختاری باعث می‌شود که مولکول CO2 غیرقطبی باشد، علیرغم داشتن پیوندهای قطبی بین کربن و اکسیژن.

2. خواص فیزیکی:

حالت فیزیکی در دما و فشار استاندارد: گاز.

رنگ: بی‌رنگ.

بو: بی‌بو.

طعم: در غلظت‌های بالا، طعم کمی اسیدی یا تند دارد.

جرم مولی: 44.01 گرم بر مول (12.01 برای کربن + 2 * 16.00 برای اکسیژن).

چگالی: چگال‌تر از هوا. در دمای 15 درجه سانتی‌گراد و فشار 1 اتمسفر، چگالی آن حدود 1.977 کیلوگرم بر متر مکعب است (در مقایسه با چگالی هوا حدود 1.225 کیلوگرم بر متر مکعب). این خاصیت باعث می‌شود که کربن دی اکسید در فضاهای بسته در سطوح پایین تجمع یابد.

نقطه جوش: -78.5 درجه سانتی‌گراد (-109.3 درجه فارنهایت) در فشار 1 اتمسفر. در این دما، CO2 از حالت جامد مستقیماً به حالت گازی تبدیل می‌شود (تصعید) بدون اینکه به حالت مایع درآید.

نقطه انجماد (فروش نقطه): -56.6 درجه سانتی‌گراد (-69.9 درجه فارنهایت) در فشار 5.18 اتمسفر.

نقطه بحرانی: دمای 31.04 درجه سانتی‌گراد (87.87 درجه فارنهایت) و فشار 73.825 اتمسفر (1070.4 psi). در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی، CO2 به حالت سیال فوق بحرانی (Supercritical Fluid) در می‌آید که خواصی بین مایع و گاز دارد.

حلالیت در آب: نسبتاً محلول در آب، تشکیل اسید کربنیک (H2CO3) می‌دهد که یک اسید ضعیف است. حلالیت آن با افزایش فشار و کاهش دما افزایش می‌یابد.

قابلیت اشتعال: غیرقابل اشتعال و به طور کلی به عنوان یک عامل خاموش کننده شناخته می‌شود.

3. خواص شیمیایی:

واکنش‌پذیری: در دماهای معمولی نسبتاً پایدار است، اما در دماهای بالا یا در حضور کاتالیزورها می‌تواند واکنش دهد.

واکنش با آب: همانطور که گفته شد، با آب واکنش داده و اسید کربنیک را تشکیل می‌دهد: CO2(g) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq)

واکنش با فلزات قلیایی و قلیایی خاکی: با فلزات فعال مانند سدیم و پتاسیم در دماهای بالا واکنش می‌دهد و کربن و اکسید فلز را تولید می‌کند.

واکنش با هیدروژن: در دماهای بالا و در حضور کاتالیزور، می‌تواند با هیدروژن واکنش داده و مونوکسید کربن (CO) و آب تولید کند: CO2 + H2 ⇌ CO + H2O

فتوسنتز: نقش کلیدی در فتوسنتز گیاهان دارد، جایی که نور خورشید، آب و CO2 برای تولید گلوکز و اکسیژن استفاده می‌شوند.

کاهش: می‌تواند توسط عوامل کاهنده قوی در دماهای بالا کاهش یابد.

اسیدیته: در محلول آبی، به دلیل تشکیل اسید کربنیک، خاصیت اسیدی ضعیف دارد. pH محلول کربن دی اکسید در آب کمتر از 7 است.

روش های شناسایی کربن دی اکسید

شناسایی کربن دی اکسید می‌تواند با استفاده از روش‌های مختلفی انجام شود که بسته به زمینه، دقت مورد نیاز و ماهیت نمونه (مانند گاز خالص، مخلوط گازی، یا محلول) متفاوت هستند.

1. تست‌های کیفی (ساده و اولیه):

تست با آب آهک (محلول هیدروکسید کلسیم): این قدیمی‌ترین و رایج‌ترین روش کیفی برای شناسایی CO2 است. هنگامی که گاز CO2 از محلول آب آهک شفاف عبور داده می‌شود، کربن دی اکسید با هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) واکنش داده و کربنات کلسیم (CaCO3) نامحلول را تشکیل می‌دهد که باعث کدر شدن یا شیری شدن محلول می‌شود: Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O(l) این واکنش به وضوح حضور کربن دی اکسید را نشان می‌دهد.

تست با شناساگرهای pH: از آنجا که CO2 در آب اسید کربنیک تشکیل می‌دهد، می‌توان از شناساگرهای pH برای تشخیص آن استفاده کرد. عبور دادن CO2 از آب حاوی شناساگرهای حساس به تغییرات pH (مانند فنول فتالئین که در محیط خنثی یا قلیایی صورتی و در محیط اسیدی بی‌رنگ است، یا متیل اورانژ که در pH پایین‌تر قرمز و در pH بالاتر زرد است) می‌تواند تغییر رنگ متناسب با اسیدیته شدن محلول را نشان دهد.

2. روش‌های طیف‌سنجی:

طیف‌سنجی مادون قرمز (IR Spectroscopy): CO2 یک مولکول قطبی نیست، اما به دلیل ارتعاشات خاص (مانند کشش نامتقارن و خمشی)، ناحیه قوی جذب در طیف مادون قرمز از خود نشان می‌دهد. این طیف‌سنجی یک روش بسیار قوی و دقیق برای شناسایی و اندازه‌گیری CO2 است. پیک‌های جذب مشخص CO2 در طول موج‌های حدود 4.26 میکرومتر (2345 cm⁻¹) و 15 میکرومتر (667 cm⁻¹) بسیار برجسته هستند. دستگاه‌هایی مانند NDIR (Non-Dispersive Infrared) سنسورها برای تشخیص CO2 در محیط‌های مختلف (مانند مانیتورینگ کیفیت هوا) از این اصل استفاده می‌کنند.

طیف‌سنجی رامان (Raman Spectroscopy): CO2 با وجود عدم وجود گشتاور دوقطبی، دارای ارتعاشات رامان فعال است (به ویژه ارتعاش کششی متقارن). این روش نیز می‌تواند برای شناسایی CO2 مفید باشد، به ویژه در مواردی که نیاز به مطالعه مولکول در فازهای مختلف یا در حضور مولکول‌های دیگر است.

طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry – MS): این تکنیک مولکول‌ها را بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) جدا و شناسایی می‌کند. CO2 با جرم مولکولی 44، پیک مشخصی در طیف جرمی خواهد داشت. این روش معمولاً در ترکیب با تکنیک‌های کروماتوگرافی (مانند GC-MS) برای جداسازی و شناسایی اجزای مخلوط‌های گازی استفاده می‌شود.

طیف‌سنجی جذب اتمی (Atomic Absorption Spectroscopy – AAS) / طیف‌سنجی نشری اتمی (Atomic Emission Spectroscopy – AES): این روش‌ها عمدتاً برای شناسایی عناصر اتمی استفاده می‌شوند. اگرچه مستقیماً CO2 را شناسایی نمی‌کنند، اما می‌توانند عناصر سازنده آن (کربن و اکسیژن) را در صورت تجزیه مولکولی شناسایی کنند.

3. روش‌های کروماتوگرافی:

کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography – GC): این روش برای جداسازی و اندازه‌گیری اجزای مخلوط‌های گازی استفاده می‌شود. ستون کروماتوگرافی گازی با فاز ساکن مناسب، کربن دی اکسید را از سایر گازها جدا می‌کند و دتکتور (مانند FID, TCD) آن را شناسایی و کمیت‌سنجی می‌کند. GC به خصوص در تعیین خلوص گازها بسیار کارآمد است.

کروماتوگرافی تبادل یونی (Ion Chromatography – IC): در صورتی که CO2 در آب حل شده باشد و به صورت یون کربنات یا بی‌کربنات وجود داشته باشد، IC می‌تواند برای شناسایی و اندازه‌گیری آن به کار رود.

4. حسگرهای شیمیایی:

حسگرهای الکتروشیمیایی: برخی حسگرها بر اساس واکنش‌های الکتروشیمیایی با کربن دی اکسید کار می‌کنند و تغییر در جریان یا پتانسیل الکتریکی را به غلظت CO2 مرتبط می‌دانند.

حسگرهای اپتیکی (مانند NDIR): همانطور که در طیف‌سنجی مادون قرمز ذکر شد، سنسورهای NDIR که تغییر در جذب نور مادون قرمز را اندازه‌گیری می‌کنند، به طور گسترده برای تشخیص کربن دی اکسید استفاده می‌شوند.

انتخاب روش مناسب برای تعیین ماهیت CO2 به عواملی مانند نیاز به دقت، حساسیت، هزینه، سرعت و امکانات موجود بستگی دارد. برای تأیید هویت CO2، ترکیبی از روش‌ها می‌تواند اطمینان بیشتری فراهم کند.

آنالیز و تعیین خلوص گاز کربن دی اکسید

پس از اطمینان از ماهیت کربن دی اکسید، مرحله بعدی آنالیز و تعیین خلوص آن است. این مرحله حیاتی است تا مشخص شود که گاز کربن دی اکسید تا چه حد عاری از ناخالصی است و آیا برای کاربرد مورد نظر مناسب است یا خیر.

روش های آنالیز گاز

آنالیز گاز به تعیین ترکیب حجمی یا جرمی مخلوط‌های گازی اشاره دارد. روش‌های مختلفی برای این منظور وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند:

1. کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography – GC):

اصول: GC یکی از پرکاربردترین تکنیک‌ها برای آنالیز مخلوط‌های گازی است. این روش بر اساس جداسازی اجزای گازی بر اساس تفاوت در برهم‌کنش آنها با فاز ساکن درون یک ستون کروماتوگرافی و یک فاز متحرک (معمولاً یک گاز حامل بی‌اثر مانند هلیوم یا نیتروژن) عمل می‌کند.

مراحل:

آماده‌سازی نمونه: نمونه گازی به صورت دقیق و با حجم کنترل شده به دستگاه GC تزریق می‌شود.

جداسازی: نمونه از ستون کروماتوگرافی عبور می‌کند. مولکول‌هایی که برهم‌کنش قوی‌تری با فاز ساکن دارند، کندتر حرکت کرده و دیرتر از ستون خارج می‌شوند، در حالی که مولکول‌هایی با برهم‌کنش ضعیف‌تر سریع‌تر جدا می‌شوند.

آشکارسازی: پس از خروج از ستون، هر جزء توسط یک دتکتور شناسایی و سیگنالی متناسب با مقدار آن تولید می‌شود. دتکتورهای رایج برای آنالیز گاز شامل:

دتکتور با رسانایی حرارتی (Thermal Conductivity Detector – TCD): این دتکتور اساساً تغییر در رسانایی حرارتی گاز حامل را هنگامی که یک جزء دیگر با رسانایی حرارتی متفاوت از آن خارج می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند. TCD برای اکثر گازها مناسب است و نیاز به استفاده از گازهای قابل احتراق ندارد.

دتکتور یونیزاسیون شعله‌ای (Flame Ionization Detector – FID): این دتکتور به ترکیبات آلی حساس است و با یونیزاسیون آنها در یک شعله و اندازه‌گیری جریان یون‌ها کار می‌کند. برای شناسایی ناخالصی‌های آلی در کربن دی اکسید مفید است.

دتکتورهای گوس‌سنج (Mass Spectrometry – MS): در GC-MS، دتکتور جرمی، هر جزء خروجی از ستون را بر اساس نسبت جرم به بار شناسایی می‌کند و اطلاعات ساختاری نیز ارائه می‌دهد.

کاربرد برای CO2: GC برای اندازه‌گیری ناخالصی‌های موجود در CO2 بسیار مفید است. ناخالصی‌های رایج شامل هوا (نیتروژن، اکسیژن، آرگون)، مونوکسید کربن (CO)، متان (CH4)، هیدروژن (H2)، بخار آب (H2O)، و گازهای گوگردی (مانند H2S) هستند. با استفاده از ستون‌های مناسب و دتکتورهای حساس، می‌توان این ناخالصی‌ها را در سطح ppm (قسمت در میلیون) یا ppb (قسمت در میلیارد) اندازه‌گیری کرد.

محاسبه خلوص: خلوص CO2 معمولاً به صورت درصد حجمی (Volume %) یا درصد جرمی (Mass %) بیان می‌شود. پس از شناسایی و کمی‌سازی تمام اجزا، خلوص CO2 از کسر مجموع مقادیر ناخالصی‌ها از کل (100%) محاسبه می‌شود.

2. روش‌های طیف‌سنجی (به ویژه NDIR):

اصول: سنسورهای NDIR (Non-Dispersive Infrared) به طور گسترده برای اندازه‌گیری غلظت CO2 استفاده می‌شوند. این سنسورها بر اساس جذب نور مادون قرمز توسط مولکول‌های CO2 در طول موج‌های مشخص (مانند 4.26 میکرومتر) عمل می‌کنند.

مراحل:

نور مادون قرمز از یک منبع به سمت یک محفظه نمونه که حاوی گاز مورد نظر است، هدایت می‌شود.

یک فیلتر نوری، طول موج خاصی را که توسط کربن دی اکسید جذب می‌شود، عبور می‌دهد.

در سوی دیگر محفظه، یک دتکتور (معمولاً یک دتکتور پیروالکتریک) میزان نوری که پس از عبور از محفظه نمونه دریافت می‌کند را اندازه‌گیری می‌کند.

هرچه غلظت CO2 در محفظه بیشتر باشد، نور کمتری به دتکتور می‌رسد.

با کالیبراسیون دستگاه با گازهای با غلظت معلوم کربن دی اکسید ، می‌توان میزان جذب نور را به غلظت CO2 تبدیل کرد.

کاربرد برای CO2: NDIR به طور گسترده برای مانیتورینگ کربن دی اکسید در کیفیت هوای محیطی، گلخانه‌ها، و همچنین در برخی کاربردهای صنعتی که نیاز به اندازه‌گیری پیوسته CO2 دارند، استفاده می‌شود. این روش سریع و نسبتاً ارزان است.

محدودیت: NDIR عمدتاً غلظت کربن دی اکسید را اندازه‌گیری می‌کند و برای شناسایی و کمیت‌سنجی ناخالصی‌های دیگر مناسب نیست، مگر اینکه از تکنیک‌های پیچیده‌تر مانند FTIR (Fourier Transform Infrared) استفاده شود که قادر به شناسایی چندین مولکول به طور همزمان است.

3. آنالیز الکتروشیمیایی:

اصول: برخی سنسورهای الکتروشیمیایی از سلول‌های الکتروشیمیایی برای اندازه‌گیری غلظت گازها استفاده می‌کنند. این سنسورها بر اساس واکنش‌های اکسیداسیون یا احیا در سطح الکترودها کار می‌کنند.

کاربرد برای CO2: برخی حسگرهای الکتروشیمیایی خاص برای اندازه‌گیری کربن دی اکسید وجود دارند، اما معمولاً برای غلظت‌های پایین و در کاربردهای خاص (مانند مانیتورینگ تنفس) استفاده می‌شوند. در مقایسه با GC و NDIR، دقت و حساسیت آنها ممکن است کمتر باشد.

4. روش‌های مبتنی بر جذب و حجم‌سنجی (Volumetric Methods):

اصول: این روش‌ها که غالباً در آزمایشگاه‌های قدیمی‌تر یا برای اهداف آموزشی استفاده می‌شدند، شامل جذب انتخابی اجزای گاز توسط محلول‌های شیمیایی و اندازه‌گیری تغییر حجم گاز باقی‌مانده است.

مثال: جذب کربن دی اکسید توسط محلول پتاسیم هیدروکسید (KOH) غلیظ.

محدودیت: این روش‌ها زمان‌بر، کم‌دقت‌تر از روش‌های مدرن، و برای شناسایی طیف وسیعی از ناخالصی‌ها مناسب نیستند.

5. آنالیز بصری و حسی:

اصول: در برخی موارد، خصوصاً برای ناخالصی‌هایی که بو یا رنگ مشخصی دارند، می‌توان از حواس انسان استفاده کرد.

مثال: بوی زننده H2S یا بوی فلزی ناشی از برخی ناخالصی‌ها.

محدودیت: این روش بسیار ذهنی، غیردقیق، و برای ناخالصی‌های بی‌بو و بی‌رنگ کاملاً بی‌فایده است. همچنین، حساسیت انسان به برخی ناخالصی‌ها (مانند CO) بسیار پایین است.