Échantillons de gaz

■ Introduction

Cette page décrit la méthode de mesure pour les échantillons gazeux ou les échantillons facilement vaporisables. Ces échantillons sont généralement mesurés par la méthode de transmission en utilisant une cellule à gaz. Lors de ces mesures, plusieurs points clés doivent être pris en compte. De plus, la cellule à gaz appropriée pour l'application doit être sélectionnée parmi diverses cellules à gaz. La page ci-dessous décrit les points clés à considérer lors de la mesure des échantillons gazeux et les méthodes de mesure utilisant différents types de cellules à gaz.

■ Points Clés Pendant la Mesure

Dans un échantillon solide ou liquide, les molécules sont dans un état associé. Il n'y a pas de différence majeure entre leurs résolutions spectrales mesurées à une haute résolution de 0,5 cm^-1 et à une résolution normale de 4 cm^-1, sauf à des températures ultra-basses. Cependant, la résolution spectrale des échantillons gazeux diffère considérablement selon la résolution FTIR. Cela est dû au fait qu'à l'état gazeux, de nombreux pics d'absorption avec une structure détaillée apparaissent en raison de la transition entre les niveaux d'énergie rotationnels ainsi que de la transition entre les niveaux d'énergie causée par les vibrations moléculaires. Par conséquent, une haute résolution est nécessaire pour clarifier la structure détaillée inhérente à un échantillon gazeux. La Fig. 1 montre le spectre infrarouge de 25 ppm de gaz NO mesuré à une résolution de 0,5 cm^-1 et de 1 cm^-1. La différence de résolution est apparente dans les plages de 1945 à 1900 cm^-1 et de 1850 à 1795 cm^-1.
Les fonctions d'apodisation sont des fonctions utilisées dans la FTIR. Les fonctions fournies incluent la fonction box-car, la fonction triangulaire et la fonction Happ-Genzel. Ces fonctions ont chacune leurs propres caractéristiques. Sélectionnez la fonction box-car pour les mesures haute résolution.
La vapeur d'eau a un effet important pendant les mesures haute résolution. La purge de l'instrument FTIR est essentielle. Si l'échantillon contient de l'humidité, il doit être déshydraté avant d'être introduit dans la cellule à gaz.
La pression interne de la cellule doit être ajustée pour l'analyse quantitative de l'échantillon gazeux. Un autre facteur à prendre en compte est l'effet d'élargissement de la pression. Même si les pressions partielles de l'échantillon gazeux sont les mêmes, la largeur de la bande d'absorption et le coefficient d'absorbance peuvent changer en fonction des différences de pression totale. Notez également que la forme de la bande d'absorption et le coefficient d'absorbance peuvent changer selon que le gaz coexistante a un petit rayon moléculaire, tel que l'hydrogène, ou un grand rayon moléculaire ^1).

■ Cellules à Gaz de 5 cm et 10 cm

La Fig. 2 montre des cellules à gaz avec un trajet optique de 5 cm et 10 cm. Le corps de la cellule est un cône tronqué circulaire en verre. Chaque extrémité est recouverte d'une fenêtre en KBr ou KRS-5 qui transmet la lumière infrarouge. Le volume interne est de 42 mL pour la cellule de 5 cm de trajet optique et de 98 mL pour la cellule de 10 cm de trajet optique. Comme la lumière infrarouge passe à travers la cellule à gaz une seule fois, la pression interne de la cellule à gaz est légèrement augmentée lors de la mesure d'échantillons à faible concentration.
Pour introduire un échantillon gazeux dans ces cellules à gaz, connectez d'abord un des robinets à une pompe à vide et ouvrez-le pour évacuer la cellule. Après avoir fermé le robinet, connectez l'autre robinet à l'échantillon et ouvrez-le pour remplir la cellule à gaz avec l'échantillon gazeux. Réglez la pression interne de quelques dizaines de Torr à 760 Torr.
Aucun manomètre n'est attaché à ces cellules à gaz, utilisez donc un système d'échantillonnage avec un manomètre, comme montré dans la Fig. 3, pour ajuster la pression lors du remplissage de la cellule. Connectez la cellule à gaz, le manomètre et le récipient contenant l'échantillon, comme montré dans la Fig. 3. Ouvrez les robinets K1, K2 et K3 pour évacuer la ligne de flux de gaz, et fermez K3. Ensuite, fermez K1 et ouvrez progressivement K4 pour permettre à l'échantillon de s'écouler dans la cellule à gaz. Surveillez le manomètre et fermez K4 lorsque la pression appropriée est atteinte. Enfin, fermez K2 et retirez la cellule pour effectuer les mesures.

■ Cellule à Gaz à Long Trajet

Fig. 4 Optique pour Cellule à Gaz à Long Trajet

Une cellule à gaz à long trajet avec un trajet optique de 10 m ou 20 m est utilisée pour mesurer des échantillons gazeux de concentration de l'ordre du ppm ou inférieure. Ces cellules à gaz n'offrent pas un trajet optique de 10 m en ligne droite. Elles comprennent plutôt trois miroirs, comme montré dans la Fig. 4, et le long trajet optique est obtenu par des réflexions répétées à l'intérieur de la cellule à gaz ²⁾.
Les trois miroirs montrés dans la Fig. 4 ont un rayon de courbure identique et cela fournit la longueur de base du trajet optique de la cellule à gaz. La lumière infrarouge provenant de la source lumineuse est focalisée sur le port d'entrée de la cellule à gaz. Elle est ensuite réfléchie par le miroir M₁ et se focalise sur le miroir M₂. La lumière infrarouge réfléchie par le miroir M₂ est réfléchie par le miroir M₃ et se focalise à nouveau sur le miroir M₂.

La Fig. 5 montre les images formées sur le miroir M₂. Elle comprend deux niveaux. Les 4n-2 et 4n (où n est un nombre naturel) montrent les numéros de séquence des images formées sur le miroir M₂. La lumière infrarouge réfléchie plusieurs fois entre les miroirs M₁, M₂ et M₃ est finalement réfléchie par le miroir M₃ et se focalise sur le port de sortie avant d'atteindre le détecteur.
La Fig. 6 montre l'apparence d'une cellule à gaz avec une longueur de trajet optique de 10 m. Ici, la cellule à gaz est installée dans la chambre d'échantillonnage de l'instrument FTIR, mais un type externe, positionné sur le côté, est également disponible qui utilise le mécanisme d'extraction de lumière infrarouge de la série FTIR-8000.
La cellule à gaz à long trajet incorpore des miroirs. Notez qu'une cellule à gaz avec des miroirs plaqués or doit être utilisée pour mesurer des échantillons corrosifs. Les miroirs en aluminium normaux se détériorent rapidement dans un tel gaz.

■ Conclusions

Nous avons discuté ici des méthodes de mesure pour les échantillons gazeux et de leurs points clés associés. Bien que non décrites ici, une large gamme de cellules à gaz est disponible. Celles-ci incluent des cellules à gaz avec une longueur de trajet optique de 100 m ou plus, des cellules chauffables et des cellules résistantes à la pression. Sélectionnez le type de cellule à gaz approprié pour l'application.

■ Référence

1) Shigeyuki Tanaka, "Sekigai-Raman Bunseki (Analyse Infrarouge et Raman)," Kyoritsu Shuppan Co., Ltd. (1978)
2) Infrared Analysis, Inc., Catalogue 92