Wykrywanie Lotnych Związków Organicznych – Detektor PID

Wprowadzenie

PID jest skrótem od angielskiego “Photo-Ionization Detector” (Detektor foto-jonizacyjny). PID jest przenośnym, osobistym lub stacjonarnym miernikiem. Dokonuje pomiarów szerokiego zakresu lotnych związków organicznych (LZO) oraz niektórych związków nieorganicznych, w zakresie od cząstek na milion (ppm) do cząstek na miliard (ppb).  Daje ciągły odczyt i może alarmować, gdy stężenia przekroczą nastawy zdefiniowane przez użytkownika. Może również rejestrować dane, wyliczać średnią ważoną czasową (ang. TWA) i krótkoterminową granicę narażenia (ang. STEL) oraz alarmować powyżej tych wartości niebezpiecznych.  Zaawansowane modele wykorzystują wewnętrzną pompkę umożliwiającą pobranie próbki powietrza z odległości do około 30 metrów. PID-y są najczęściej wykorzystywane do pomiarów BHP przemysłowych, by zapewnić, że pracownicy nie są narażeni na działanie toksycznych związków, a także do licznych innych zastosowań:

PID działanie detekcji VOC

Jak działa PID

Rys. 1 przedstawia schemat sensora PID firmy Ion Science. Lampa UV generuje fotony o dużej energii, które przechodzą przez okno lampy i elektrodę siatkową do komory czujnika. Próbka gazu jest pompowana nad komorę sensora, a około 1% z niego dyfuzuje przez porowatą membranę na drugą stronę komory sensora.  Wstawka w prawym dolnym rogu pokazuje co dzieje się na poziomie molekularnym. Kiedy foton z wystarczającą energią uderza molekułę M, elektron (e-) zostaje wyrzucony. Jon M+ przemieszcza się do katody, natomiast elektron do anody, co powoduje powstanie prądu proporcjonalnego do koncentracji gazu. Prąd elektryczny jest wzmacniany i wyświetlany w postaci koncentracji ppm lub ppb. Nie wszystkie molekuły M mogą być zjonizowane. Zatem, główne składowe powietrza, tj. azot, tlen, dwutlenek węgla, argon, itp., nie powodują odpowiedzi, jednak większość LZO daje odpowiedź.

czujnik PID schemat

Wybór lampy

Dostępne są trzy lampy PID o maksymalnej energii fotonów 10.0 eV, 10.6 eV oraz 11.7 eV. Rys. 2. Pokazuje, że lampa może wykrywać tylko te związki o energii jonizacji (IE) równej lub niższej niż energia fotonów lampy. Zatem, lampa 10.6 eV może mierzyć siarkowodór z IE równym 10.5 eV oraz wszystkie związki o niższej energii, jednak nie może wykrywać metanolu lub związków o wyższym IE. Wybór lampy zależy od aplikacji. Gdy obecny jest tylko jeden związek, można użyć dowolnej lampy o wystarczającej energii fotonów, często standardową lampę 10.6 eV, która jest najtańsza i posiada długi czas życia do kilku lat. Dla związków o wysokim IE, takich jak chloroform, konieczne jest użycie lampy 11.7 eV, która posiada krótki czas życia do kilku miesięcy. W przypadku mieszanek związków, użyj lampy o najniższej możliwej energii. Na przykład, aby zmierzyć aceton z obecnością izopropanolu można użyć lampy 10,0 eV, która nie wykryje żadnej ingerencji ze strony izopropanolu.

lampa PID

Jakie związki może mierzyć PID

PID może wykrywać wiele tysięcy LZO. Czułość jest mniej więcej w następującej, malejącej kolejności:

  • Aromaty, jak benzen, toluen, ksylen, pirydyna, fenol, anilina, naftalen…
  • Olefiny, jak butadien, cykloheksen, trichloroetylen, chlorek winylu, terpentyna, limonen…
  • Bromki & Jodki, jak balsam bromku metylu, odtłuszczacz n-bromopropanu, dezynfektant jodu…
  • Sulfidy & Merkaptany, jak środek pochłaniający naturalny gaz merkaptan metylowy…
  • Organiczne Aminy, jak metyloamina, trimetyloamina…(podatna na niestabilną odpowiedź)
  • Ketony, jak aceton, keton metylowo-etylowy (MEK), keton metylowo-izobutylowy (MIBK)…
  • Etery, jak rozpuszczalnik w eterze etylowym, eter metylo-t-butylowy…
  • Estry & Akryle, jak rozpuszczalnik octanu etylu, kleje metakrylanowe metylu, PGMEA…
  • Aldehydy, jak sterylizant glutaraldehydowy, aldehyd octowy, formaldehyd…
  • Alkohole, jak butanol, izopropanol, etanol, glikol propylenowy…
  • Alkany, jak rozpuszczalniki heksanowe i izoparowe, oktan i oleje napędowe…
  • Niektóre Nieorganiczne, jak amoniak (NH3), siarkowodór (H2S) i fumigant fosfinowy (PH3)…

Ponadto istnieje zmienna reakcja na chlorowane związki, kwasy organiczne, estry krzemianowe, boranowe I fosforanowe, izocyjaniany i wiele innych. Paliwa takie jak benzyna, olej napędowy, nafta i paliwo lotnicze są mieszaninami związków aromatycznych, olefin I alkanów, a tym samym dają silną reakcję.

Czego nie mierzy PID

Nie ma odpowiedzi na:

  • Składowe czystego powietrza, jak azot, tlen, dwutlenek węgla, para wodna, argon…
  • Gazy Szlachetne, jak hel, ksenon, krypton, argon…
  • Większość małych cząsteczek, jak wodór tlenek węgla, HCN, ozon, nadtlenek wodoru, SO2…
  • Gazy Naturalne, wliczając metan and etan…
  • Kwasy Mineralne, jak kwas solny, kwas azotowy, kwas siarkowy…
  • Związki Fluorowane, jak czynniki chłodnicze Freon®, gazy znieczulające, sześciofluorek siarki
  • Niestacjonarne, jak PCB, PAH, MDI, smary, woski…
  • Radioaktywne, jak uran, pluton, radon…

Zaprogramowane współczynniki odpowiedzi

TA-02 (Współczynniki odpowiedzi PID Ion Science) określa czułość ponad 800 związków w postaci współczynników odpowiedzi (RF) w odniesieniu do odpowiedzi izobutylenu. Chociaż kalibracja za pomocą związku który będzie mierzony jest najdokładniejsza, to jednak taki gaz kalibracyjny często jest trudno dostępny, co czyni kalibrację izobutylenem bardzo wygodną. Gdy PID jest skalibrowany za pomocą izobutylenu, odczyty innych związków muszą zostać przekształcone, jak następuje:

Prawdziwa koncentracja = Odczyt PID x RF

Tabela 1 podaje kilka wartości RF dla kilku związków chemicznych. Na przykład, jeśli PID skalibrowany izobutylenem zostanie użyty do pomiaru benzenu z lampą 10.6 eV, a odczyt wynosi 10 ppm, prawdziwa koncentracja wynosi:

Koncentracja Benzenu  = 10 ppm x 0.46 = 4.6 ppm benzenu

Jeśli otrzymano ten sam wynik dla etanolu, to prawdziwa koncentracja wynosi:

Koncentracja Etanolu = 10 ppm x 8.7 = 87 ppm Etanolu

PID LZO pomiary

Zwróć uwagę, że RF są odwrotne do czułości, tj. im niższy RF, tym czulszy związek. Potrzeba 87 ppm etanolu, aby uzyskać taką samą reakcję 10 ppm, jak 4,6 ppm benzenu.

Wstępnie Zaprogramowane Współczynniki Odpowiedzi

Większość PID-ów Ion Science posiadają fabrycznie załadowane 800+ wartości RF, które mogą zostać wywołane przez użytkownika. W takim przypadku wyświetlacz podaje stężenie substancji chemicznej bezpośrednio i nie trzeba wykonywać żadnych dodatkowych obliczeń. Pamiętaj, że wywołanie RF z pamięci nie powoduje, że PID jest bardziej selektywny dl tej konkretnej substancji chemicznej – nadal reaguje na wszystkie wykrywalne chemikalia obecne w mieszaninie.

Opatentowana Elektroda Płotowa Zapobiega Problemom Z Wilgotnością

Większość PID-ów cierpi na niskie odczyty, gdy wilgotność jest wysoka, z powodu gaszenia przez parę wodną, co pokazują zielone trójkąty na Rys. 3. Przeciwnie, tj. dryft wysokich odczytów przy wysokim RH, także może wystąpić jeśli sensor zostanie zanieczyszczony. Ion Science rozwiązał te dwa problemy za pomocą kombinacji elektrody płotowej oraz projektowi przeciw-zanieczyszczeniowemu (zobacz Rys. 1), dzięki czemu sensor jest chroniony poprzez dyfuzję gazu przez filtr. Inni producenci próbują skompensować wygaszanie RH przez dodanie czujnika wilgotności. Jednakże, jak pokazują brązowe kwadraty na Rys. 3. kompensacja często nie jest dokładna, może często nadkompensować, dając fałszywe, wysokie odczyty. Dla kontrastu sensor Ion Science (niebieskie diamenty na Rys. 3) nie jest pod wpływem wilgotności i nie wymaga sztucznej kompensacji, jest zatem znacznie bardziej niezawodny i dokładny w normalnym, wilgotnym powietrzu. Sprawia to, że PID Ion Science jest szczególnie użyteczny w takich zastosowaniach jak analiza przestrzeni gruntowej podczas oczyszczani środowiska, gdzie próbki są zarówno bardzo wilgotne, jak i podatne na zanieczyszczenie kurzem i pyłem, co stwarza poważne problemy dla innych PID-ów.

PID wykres detekcji Ion

By znaleźć więcej szczegółów na temat efektów wilgotności PID i funkcji elektrody, zobacz TA-06 (Opatentowana Elektroda Płytowa Eliminuje Wpływ Wilgoci na PID-y Ion Science).

PID-y do Testów LEL

PID-y są przydatne do pomiaru łatwopalności atmosfery. Pomiar palności oparów lub LEL (dolna granica wybuchowości) jest zwykle wykonywany za pomocą pelistora lub czujnika katalitycznego. Zazwyczaj alarm ustawiony jest na 10% LEL, aby posiadać dobry margines bezpieczeństwa. LEL dla wielu LZO to kilka VOL %. Ponieważ 1% Vol wynosi 10,000 ppm, 10%  LEL zwykle mieści się w zakresie od 100 do kilku 1000 ppm, co stanowi łatwy zakres dla PID. Na przykład, styren i chlorek winylu mają LEL równe 1.1 Vol % i 4.0 Vol %, dla których 10% LEL wynosi odpowiednio 1100 ppm i 4000 ppm. Czujniki LEL są tańsze od PID, ale mają wady:

  • Słaba reakcja na ciężkie węglowodory, takie jak oleje napędowe i paliwa odrzutowe, terpentyna, itp.
  • Zatruwają się:
  1. polimeryzowanymi związkami takimi jak styren i chlorek winylu
  2. silikonami I związkami zawierającymi siarkę, chlor, brom, fosfor, ołów, itp.

PID-y nie cierpią z powodu tych problemów, a zatem są przydatne do pomiaru LEL w tych sytuacjach. Przykłady obejmują; linie lotnicze powołujące się na PID dla bezpieczeństwa LEL podczas wejścia na skrzydło (paliwo do silników odrzutowych), zakłady produkcyjne używające smarów silikonowych, produkcja i napełnianie dezodorantów oraz produkcji i utwardzania polistyrenu.

PID-y Nie Wymagają Tlenu

PID-y mogą działać w przypadkach, w których konieczne jest mierzenie toksycznych związków przy braku tlenu. Natomiast większość czujników elektrochemicznych i czujników LEL typu pelistor, wymagają działania tlenu. Mimo że w takich sytuacjach pracownicy używają dostarczonego powietrza, może być konieczne zmierzenie LZO ze względu na zagrożenie narażenia skóry lub potencjalną eksplozją, gdyby powietrze nagle wtargnęło. Niektóre kontrole procesów chemicznych są również prowadzone w atmosferze obojętnej, a zatem mogą wykorzystywać PID do monitorowania LZO.

Wyłączny przedstawiciel firmy ION Science na Polskę – Poltraf Sp. z o.o.