Springen naar inhoud

Uitlaatgassen simpel(?) analyseren


  • Log in om te kunnen reageren

#1

aldert

    aldert


  • 0 - 25 berichten
  • 25 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 15 oktober 2006 - 18:01

Hai,

Voor ons PWS hebben we uiteindelijk besloten om uitlaatgassen te gaan analyseren. Dit onder de hoofdvraag: 'Kunnen wij met simpele chemische analyse testen welke ottomotor het schoonst is?'. Misschien dat we dat nog wat ombouwen, maar het belangrijkste is de simpele chemische analyse. Geen gaschromatograaf, geen massa-spectometrie, fluorescentiemetingen etcetera. Gewoon lekker met water en pH.

De vraag waarom met pH is simpel te beantwoorden: neerslagen zijn niet te meten, onnauwkeurig, ik zie mezelf niet zo gauw een neerslag van enkele tientallen miligrammen indampen. Niet te denken aan oplosevenwichten :oops:. pH is bovendien gewoon leuk 8-[.

Uitlaatgassen bevatten:
  • CO2
  • H2O
  • CO
  • NOx
  • SO2
  • Koolwaterstoffen (onverbrand restproduct)
  • Roet
Door een bepaalde opstelling moet men wel enkele liters gas laten om hieruit deze stoffen te kunnen scheiden. Het meest wenselijke is direct vanaf de motor het gas door de opstelling te laten, aangezien anders ťn zwaveldioxide reageert tot zwaveltrioxide en vervolgens in het aanwezig water tot zwavelzuur oplost ťn stikstofmono-oxide reageert tot stikstofdioxide, wat in het water reageert tot salpeterzuur. Dit maakt het pH meten er niet makkelijker op. Door het water meteen te absorberen met koper(II)sulfaat (kristalwater) zou dit probleem geŽlimineerd zijn.

Stel dat je de gassen toch eerst op zou vangen en al het water direct zou laten absorberen. Dan blijft het probleem van de zwaveltrioxide samen met het ontstane stikstofdioxide over. Immers deze reageren in water beide tot een sterk zuur. Oftewel een overeenkomende eigenschap wat ze moeilijk te scheiden maakt. Nu is dit probleem ook al opgelost met lood(II)acetaat, zie reservoir 1.

Water, reservoir 0

Wanneer we direct gas afvangen wordt met koper(II)sulfaat hier water tot kristalwater gebonden (zie verderop waarom we hoeveelheid water willen berekenen). Wanneer we bijvoorbeeld thuis "s ochtends een hoeveelheid uitlaatgas opvangen in een vuilniszak (just a thought), dan wordt deze absorptie van water in deze vuilniszak gedaan.

NOx, reservoir 1

NO en NO2. Allereerst gaan de gassen door water met een pH van 0,91. Aannemende dat er geen zwaveltrioxides irritant doen, is alleen NO2 sterk zuur vormend. Zelfs in een pH van 0,91 (zodat SO2 niet meer oplost tot salpeterigzuur)Voetnootje 1 nog wel. Koolstof- en zwaveldioxide zullen in het reservoir gaan en er weer uit.

Echter de NO zal wel zonder iets te doen in het water oplossen (0,069 g/L), bovendien onstaat bij de reactie van salpeterzuur weer NO. Deze NO laten we eerst even rusten (gaat dus steeds mee en lost dus steeds meer op in reservoirs. Later dienen we dit dus te corrigeren).

Stel er zijn wel zwaveltrioxiden (omdat we met vuilniszakken gaan werken, waarvan de gassen pas "s middags verwerkt worden). Dan onstaat in de reservoir 1 zwavelzuur en salpeterzuur. Door lood(II)acetaat toe te voegen, slaat loodsulfaat neer en de bijbehorende oxoniumionen horen nu bij het acetaat. Er onstaat een pH evenwicht voor deze, zodat de pH zal stijgen. Nu valt te bereken hoeveel zwavelzuur er in de oplossing zat (grmbl dan toch een oplosevenwicht ;) (van loodsulfaat)).

Bij de eerste test zullen we dus moeten testen op SO3. Wanneer er geen verandering optreedt is de hoeveelheid dus te verwaarlozen...

Naar mijn idee is het onmogelijk dat het uitlaatgas, zelfs na een poos laten staan, alleen maar SO3 bevat, zodat we de hoeveelheid SO2 toch zullen moeten bepalen.

SO2, reservoir 2

Hetzelfde lage pH grapje nog een keer. CO2 lost minder goed op in water. Bij de maximale oplossing van CO2 heeft men een pH van 3,922. Wanneer we deze pH maken met bv zoutzuur, zal CO2 er niet meer in oplossen, maar SO2 nog wel.

Restproducten, reservoir 3

Gevuld met natronloog berekenen we hier de hoeveelheid CO2.

Waarom willen wij de hoeveelheid CO2 weten? 2 redenen.
  • Samen met het bepalen van de hoeveelheid water, kunnen wij voor verschillende motoren de hoeveelheid vervuilende stof uitzetten tegen goed verbrande stof (kooldioxide en water) in bijvoorbeeld massapercentages. Andere methodes als uitlaatgasvolumemeting zijn onnauwkeurig, de ene motor gebruikt bijvoorbeeld meer lucht op een hoeveelheid benzine...
  • Er zit een hoeveelheid CO en koolwaterstoffen in het uitlaatgas. Deze hoeveelheid berekenen door op het eind van de opstelling de gassen op te vangen en vervolgens te verbranden met UV-licht en daarna van de UV-kamer de hoeveelheid CO2 te meten. Hierbij kan het zijn dat een aanzienlijk deel van de onbekende hoeveelheid koolwaterstoffen opgelost zijn in water...
CO2, reservoir 4

Een zak o.i.d. waarin de met UV-licht de restproducten verbrand worden:

CO, Koolwaterstoffen, NO en roet.

(Dit natuurlijk met de nog aanwezige hoeveelheid zuurstof of een extra toegevoegde hoeveelheid). Vervolgens wordt dit gas weer in reservoir 1 gelaten. Uit de hoeveeheid dan onstane salpeterzuur kan men berekenen wat het totaal NOx was. De overige producten verbrand tot CO2 weten wel te verdwijnen in een basische omgeving.

Het is van belang de verblijftijd in deze kamer voor elke sample constant te houden. Bovendien zit in dit reservoir ook weer een hoeveelheid koper(II)sulfaat. Bij een dieselmotor zal de verhouding H2O CO2 wel anders zijn dan bij een benzinemotortje (hoeveelheid roet).

We zullen niet vergeten CO en NO te corrigeren ivm oplosbaarheid in water, resp. 30mg/L en 67mg/L

De vragen

Dat is zo"n beetje de opzet. Algemene opmerkingen zijn uiteraard van harte welkom, anders gaan wij ervan uit dat alles heel realistisch voorgesteld is en dat we, voor zover nu te bepalen is, hiermee de uitlaatgassen kunnen analyseren. Misschien zit ergens een berekenings- of gedachtefoutje? Hieronder enkele concrete vragen:
  • Kunnen wij de koolwaterstoffen nog beter bepalen / uit elkaar splitsen? Wordt lastig denk ik, aangezien er tientallen (zoniet hondertallen) verschillende uit de uitlaat komen.
  • In hoeverre lossen de koolwaterstoffen op in al het water dat gebruikt wordt?
  • Zijn de koolwaterstoffen wel goed m.b.v. vrije radicalen (door het UV) te verbranden?
  • Lost het roet ook op in dit water?
Voetnoten

1. Het niet oplossen van SO2. Volgens de gegevens lost in water maximaal 94g/L op. Dit komt overeen met 1,561 mol. De Kz waarde van SO2: 1,4 . 10-2.

Geplaatste afbeelding

=> [H3O+] = 0,1410 en
pH = - log 0,1410 = 0,85 (juiste sign. :P)

Klopt de redenatie dan dat bij deze pH, gemaakt door een sterk zuur als zoutzuur, SO2 niet meer zal oplossen?

2. Net als bij voetnoot 1 berekend, Kz CO2 = 4,5 . 10-7 en oplosbaarheid in water: 3,295 mol.

Pfff. Dat was "t.

Een Visio schemaatje + opstellingstekening komt nog wel.

Alvast bedankt voor je antwoorden en/of opmerkingen! ;)

Groeten,
Aldert Berends

Waah, verkeerde categorie (las scheidingmethoden), graag verplaatsen, bitte.

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

aldert

    aldert


  • 0 - 25 berichten
  • 25 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 17 oktober 2006 - 17:44

Dank voor het verplaatsen ;)

Niemand die hier ook maar iets zinnigs aan kan bijdragen :oops:, of is het gewoon teveel leeswerk 8-[

Zaken zijn natuurlijk ook gewoon te testen (dat van de pH bv.)... Koolwaterstoffen zijn doorgaans niet oplosbaar in water

't Resultaat hoor je hoe dan ook :P

(sorry voor het overmatig, maar wel gespreid smiliegebruik ;))

#3

rwwh

    rwwh


  • >5k berichten
  • 6847 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 17 oktober 2006 - 19:38

Het is een beetje veel voor iedereen, denk ik. Voor mij ook.... Een aantal van de experimenten komen mij niet al te realistisch voor: verbranden van resten met UV licht? Zwaveltrioxide dat zomaar uit zwaveldioxide komt? Salpeterzuur uit stikstofdioxide? Zwaveldioxide dat salpeterigzuur vormt? Je moet duidelijk nog wat reacties uitschrijven!

#4

*_gast_Gerard_*

  • Gast

Geplaatst op 17 oktober 2006 - 20:39

Ik ben het met rwwh eens dat het tamelijk onrealistisch is.
Toen ik het de eerste keer las vond ik het al een moeizaam verhaal omdat er zo verschrikkelijk veel fout kan gaan.
Om maar eens te beginnen met de monstername.
Je wilt motoren vergelijken dus je zult er eerst voor moeten zorgen dat ze onder gelijke condities werken. Dus afstellen volgens de fabreikspecificaties en vervolgens warm laten draaien.
Doe je dit niet dan kun je niets over de motoren zeggen hooguit over de auto van mijn moeder heeft schonere uitlaatgassen dab de auto van mijn vader.

Het vergelijken van motoren zou ik maar vergeten ik zou het al heel knap vinden als je redelijk betrouwbare metingen van de 7 genoemde stoffen voor elkaar zou krijgen.

Verder zou ik voor elk onderdeel een eigen topic starten met gerichte vragen want dan kunnen we je beter helpen en blijft het overzicht behouden.

#5

aldert

    aldert


  • 0 - 25 berichten
  • 25 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 18 oktober 2006 - 20:29

Ah, ja ik was niet helemaal compleet in de beschrijving...

Ik elk genoemd reservoir (behalve reservoir 0) zit water met een gemaakte pH waarde. Het reservoir is niets meer dan een erlenmeyer met een vastgestelde hoeveelheid water, afgesloten met een rubberen stop met een slangetje in (welke in het water via een verstuiver blaast) en een slangetje uit, naar het volgende reservoir. Een vacuŁmpomp is wel nodig om de gassen door de installatie te trekken. Een drukpomp zou ik echter liever mee werken (voor de opstelling)...

We stellen ons nu voor de motor direct aan de meetinstallatie aan te sluiten...

Per reservoir de reactie uitgeschreven (geen toestandsaanduidingen):

Water opnemen, reservoir 0

Met bijvoorbeeld kopersulfaat, of een ander aan zich kristalwater bindende stof:

CuSO4 -> CuSO4 . H2O

Sterke zuur vormende stoffen afvangen, Resv. 1

NO2:

3NO2 + 3H2O -> 2H3O+ + 2 NO3- + NO

SO3:

SO3 + 3H2O -> 2H3O+ + SO42-

Zwaveltrioxide is mogelijkerwijs aanwezig. De concentratie hiervan stijgt wanneer men de uitlaatgassen langer laat staan. Dit doordat zwaveldioxide met luchtzuurstof tot de trioxide reageert.

Eigenlijk is er ook een evenwicht hiervan aanwezig (HSO4-), maar hier komen we met berekenen wel uit. Door loodacetaat (lost redelijk goed op) toe te voegen vangen we bijna al het SO42- weg, wanneer dit Łberhaupt ontstaan is:

Pb2+ + SO42- <> PbSO4

Oplosevenwicht moet misschien rekening mee gehouden worden...

De pH stijgt, omdat de oxonium-ionen behorende bij de sulfaationen nu bij acetaat horen:

Ac- + H3O+ <> HAc + H2O

De Kb-waarde van deze evenwichtreactie is 5,8 . 10-10, terwijl die voor zwavelzuur verwaarloosbaar klein is (H2SO4 <> HSO4-) of kleiner (HSO4- <> SO42-, 7,1 . 10-13). Oftewel, ik blijf wat kort door de bocht, de pH zal stijgen.

We beginnen met een lage pH waarden om ervoor te zorgen dat de SO2 en CO2 niet in het water gaan oplossen, immers deze bepalen wij verderop. We moeten nog even testen of een met een sterk zuur gemaakte lage pH waarde er inderdaad voor zorgt dat zwaveldioxide niet meer oplost (wanneer wel, dan zou dit als H2SO3 in het water zitten, wat er met vacuŁm uitgetrokken zou moeten worden.

Overigens de berekening in de eerste post bevat een fout (berekening pH waarde bij maximale oplossing SO2).

SO2 uit het gasmensel halen, reservoir 2

De sterke zuren zijn er nu uit. Nu de zwakke zuren. We creŽren een zodanig zuur milieu, dat CO2 niet meer zal oplossen, maar SO2 nog wel volgens:

SO2 + 2H2O <> H3O+ + HSO3-

CO2 uit het gasmensel halen, reservoir 3

In een basische omgeveving (natronloog oid), pH vastgesteld:

CO2 + 2H2O -> H3O+ + HCO3-.

(aflopend, omdat oxonium wordt opgevangen door hydroxide-ion, waardoor natriumwaterstofcarbonaat ontstaat).

pH opnieuw vaststellen en kees is klaar.

CO, NO, koolwaterstoffen etc. uit het gasmensel halen, mbhv UV

UV-licht breekt zuurstofmoleculen in vrijgezellen, radicalen. Dit proces speelt ook hoog in de atmosfeer plaats en zorgt daarmee mede voor de afbraak van allerhande koolwaterstoffen. Deze radicalen oxideren maar al te graag. Wij oxideren daarmee CO en de koolwaterstoffen tot CO2 en water (wat direct opgevangen wordt door het in deze reactieruimte aanwezige kopersulfaat) en NO tot NO2, waarmee we zodoende het totaalgehalte aan stikstofoxiden kunnen bepalen.

Het mengsel waarop de radicalen zich op uitgeleefd hebben wordt opnieuw in reservoir 1 gebracht.

Bij de hierbij onstane salpeterzuur moeten we rekening houden dat opnieuw NO onstaat (welke echter te berekenen is 8-[).

Mocht er in reservoir 2 opnieuw zwaveligzuur onstaan, dan betekent dit dat er zwavelverbindingen waren die in de UV-reactiekamer zijn gedegradeerd tot SO2. Of in reservoir 1 zou zwavelzuur kunnen ontstaan doordat het gedegradeerd is tot SO3

@rwwh

Komkom, "Zwaveldioxide dat salpeterigzuur vormt?", dat heb ik nooit gezegd :oops:

@Gerard

Juist niet afstellen volgens de fabrieksspecificaties! Het gaat toch om real life? Tune jij de verbranding van je auto 's ochtends ook even bij voordat je vertrekt?

Voor de mate van vervuiling: een misschien goede maatstaaf zou kunnen zijn: de verhouding tussen vervuilende stoffen in het uitlaatgas en de goede verbrandingsproducten (kooldioxide en water).

Het blijft inderdaad lastig wat betreft de definiŽring van de vervuiling. Door de hoeveelheid water en kooldioxide te bepalen, kun je wel vervuiling ten opzichte daarvan bepalen, echter dit gaat nog niet naar vervuiling per kilometer... Ik denk dat we ons eerst maar even geen zorgen moeten maken om een dergelijke correctie...

Voor de losse concrete vragen zal ik een nieuw topic openen wanneer nodig.

Veranderd door Aldert, 18 oktober 2006 - 20:34


#6

rwwh

    rwwh


  • >5k berichten
  • 6847 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 18 oktober 2006 - 20:35

Aannemende dat er geen zwaveltrioxides irritant doen, is alleen NO2 sterk zuur vormend. Zelfs in een pH van 0,91 (zodat SO2 niet meer oplost tot salpeterigzuur)Voetnootje 1 nog wel.

Ik denk echt dat je dit wel schreef.

Deze experimenten gaan niet werken. Oplossnelheden, hoeveelheden, oplosbaarheden, evenwichten: allemaal redenen waarom dit helemaal niet gaat werken. Ik zou er eens met je begeleider over spreken.

#7

aldert

    aldert


  • 0 - 25 berichten
  • 25 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 18 oktober 2006 - 20:39

Ok, je hebt me tuk :oops:

Verklaar ietsjes nader? Als ik SO2 door water blaas, met een injectienaaltje, ontstaat er direct een zure oplossing (pH daalt direct met 2)

(thuis getest met kaliummetabisulfiet, citroenzuur, injectiespuit, magnetron en pH meter).

CO2, same story, ook snel lagere pH waarde.

Ik denk ook dat je meer op dat UV-licht doelt... Dat kan inderdaad wel eens problemen qua reactiesnelheid opleveren?

Veranderd door Aldert, 18 oktober 2006 - 20:40


#8

*_gast_Gerard_*

  • Gast

Geplaatst op 18 oktober 2006 - 21:28

'Kunnen wij met simpele chemische analyse testen welke ottomotor het schoonst is?'


Juist niet afstellen volgens de fabrieksspecificaties! Het gaat toch om real life? Tune jij de verbranding van je auto 's ochtends ook even bij voordat je vertrekt?



In je vraagstelling geef je aan dat verschillende motoren wilt vergelijken, voor een eerlijke vergelijking moeten ze toch gelijke kansen hebben anders zie quote

Doe je dit niet dan kun je niets over de motoren zeggen hooguit over de auto van mijn moeder heeft schonere uitlaatgassen dan de auto van mijn vader.


#9

aldert

    aldert


  • 0 - 25 berichten
  • 25 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 18 oktober 2006 - 21:55

In de hoofdvraag zit eigenlijk meer of wij dat inderdaad kunnen bepalen, deelvragen (algemeen):

Wat bepalen wij?
Hoe kunnen wij dit bepalen?
Welke ottomotor is het schoonst?

Je hebt gelijk dat het lastig is om een juiste vergelijking te maken. De beste weergave is: de massa vervuilende stoffen per kilometer. Dit doe je eigenlijk per stof. Elke stof kun je dan een weging meegeven, omdat de ene stof nu eenmaal nog iets meer problemen in het milieu oplevert dan het andere. Alleen al die wegingsbepaling is een onderzoek opzich. Vervolgens zit je met de groep 'koolwaterstoffen' in de maag, omdat je die niet verder kunt specificeren.

Je hebt ook wel een punt met het afstellen van de motoren voor de gelijke kansen. Echter daarmee bepaal je niet de 'vervuilingswaarde' van de motor bij normaal gebruik, maar bij alsof de motor nieuw is. Voor een officiŽle vergelijking tussen auto's zou het eigenlijk logischer zijn om de vervuilingswaarde te meten, bijvoorbeeld bij kilometerstand 10000. Elk geval is daar een geijkt punt van belang. Hier zou je het misschien niet zozeer een vergelijking tussen merken kunnen noemen.

Ik zie in elk geval in dat wij ons niet al teveel met de resultaten bezig moeten houden, omdat dit dus een apart onderzoek is.

Dus de hoofdvraag luidt vandaag:
1. "Kunnen wij uitlaatgassen van ottomotoren analyseren zonder gaschromatografie?" of
2. "Kunnen wij met simpele chemische analyse bepalen in welke mate uitlaatgassen vervuilende stoffen bevatten?"

Ik geef me toch nog niet gewonnen:

Je kunt de schoonste ottomotor toch best definiŽren als:

De motor die de schoonste verbranding voor elkaar krijgt (de eerder genoemde verhouding van vervuilende stoffen tot kooldioxide + water).

Dus niet kwanititeit, maar kwaliteit. Dit zou eerder een benadering zijn van iets in de trant van vervuilende stoffen per geleverd vermogen...

#10

DrQuico

    DrQuico


  • >1k berichten
  • 2952 berichten
  • VIP

Geplaatst op 18 oktober 2006 - 22:06

Je kunt de schoonste ottomotor toch best definiŽren als:

De motor die de schoonste verbranding voor elkaar krijgt (de eerder genoemde verhouding van vervuilende stoffen tot kooldioxide + water).


Een schone verbranding geeft minder roet. De roet zou je op kunnen vangen (met een filter of zo) en vervolgens de gewichtstoename van het filter bepalen.

#11

rwwh

    rwwh


  • >5k berichten
  • 6847 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 18 oktober 2006 - 22:17

Als ik SO2 door water blaas, met een injectienaaltje, ontstaat er direct een zure oplossing (pH daalt direct met 2)

Ik geloof je onmiddellijk. En dan? Wat gebeurt er als je meer SO2 doorblaast? Wordt het dan kwantitatief steeds zuurder? Of lost SO2 nu niet meer op in de zuurdere oplossing? In dat laatste geval kun je hiermee dus niet bepalen hoeveel SO2 er in het gas zat.

Hetzelfde geldt voor alle andere bepalingen: als het geen kwantitatieve oplossing vormt, dan kun je een kwantitatieve of semi-kwantitatieve bepaling wel vergeten.

#12

aldert

    aldert


  • 0 - 25 berichten
  • 25 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 19 oktober 2006 - 16:20

@rwwh

Het is het uiteraard niet te hopen dat er voor tientallen grammen zwaveldioxide uit je uitlaat komt!

Het kan echter wel eens zijn dat dus niet alle zwaveldioxide oplost. Dit geval kunnen we het beste simuleren door een hoeveelheid zwaveldioxide door water met voorgestelde pH waarde (3,92, ivm kooldioxide) te blazen en het niet opgeloste gas opnieuw door pH neutraal water te leiden (hopelijk dan geen pH verlaging...).

Alternatief voor zwavel- en kooldioxide: beide door water laten met ijzernitraat (of chloride). pH daling meten welke wordt veroorzaakt door zwaveldioxide, aangezien Fe3+-ionen met carbonaten reageren (alleen weet niet tot wat :unsure:, vast oa. kooldioxide).

Daarom ook voor kooldioxide een basische omgeving. Er is immers veel kooldioxide aanwezig. We willen wel graag dat alle kooldioxide uit het gas gehaald wordt, dus ipv koolzuurevenwicht een aflopende reactie.

Stikstofdioxide is sterk zuur vormend. Trekt zich dus niet zoveel aan van de pH in de omgeving...


@DrQuico

Maar roet lost in principe toch niet op in water? Massabepaling, in miligrammen kunnen we nog halen. Eens kijken naar roetfilters...

Dan kunnen we iig roet nog afsplitsen :oops:

Veranderd door Aldert, 19 oktober 2006 - 16:24


#13

rwwh

    rwwh


  • >5k berichten
  • 6847 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 19 oktober 2006 - 20:14

Als je echt denkt dat het werkt, moet je het eerst met bekende monsters gaan proberen.

#14

aldert

    aldert


  • 0 - 25 berichten
  • 25 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 19 oktober 2006 - 21:42

Ok, we zullen eerst de onderdelen eerst apart testen, resultaten volgen!

Bedankt voor alle reacties tot nu toe :oops:

#15

Fuzzwood

    Fuzzwood


  • >5k berichten
  • 11101 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 19 oktober 2006 - 23:37

Je zou ook kunnen proberen de zaak flink basisch te maken en dan aan de hand van de pHdaling uit te rekenen hoeveel gas erin is opgelost.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures